Флуоресценция

Флуоресценция уранового стекла в ультрафиолетовом свете

Тоник при облучении видимым (слева) и ультрафиолетовым (справа) светом. Голубая флуоресценция обусловлена наличием в напитке производных хинина.

Флуоресце́нция (вариант: флюоресценция) — физический процесс, разновидность люминесценции. Флуоресценцией обычно называют излучательный переход возбужденного состояния с самого нижнего синглетного колебательного уровня S₁ в основное состояние S₀. В общем случае флуоресценцией называют разрешенный по спину излучательный переход между двумя состояниями одинаковой мультиплетности: между синглетными уровнями $~S_1 \rightarrow S_0$ или триплетными $~T_1 \rightarrow T_0$. Типичное время жизни такого возбужденного состояния составляет 10⁻¹¹−10⁻⁶ с.

Флуоресценцию следует отличать от фосфоресценции — запрещенного по спину излучательного перехода между двумя состояниями разной мультиплетности. Например, излучательный переход возбужденного триплетного состояния T₁ в основное состояние S₀. Синглет-триплетные переходы имеют квантово-механический запрет, поэтому время жизни возбужденного состояния при фосфоресценции составляет порядка 10⁻³−10⁻² с.

Происхождение термина

Термин «флуоресценция» происходит от названия минерала флюорит, у которого она впервые была обнаружена, и лат. -escent — суффикс, означающий слабое действие.

История изучения

Впервые флуоресценцию соединений хинина наблюдал физик Джордж Стокс в 1852 году.

Теоретические основы

Согласно представлениям квантовой химии, электроны в атомах расположены на энергетических уровнях. Расстояние между энергетическими уровнями в молекуле зависит от её строения. При облучении вещества светом возможен переход электронов между различными энергетическими уровнями. Разница энергии между энергетическими уровнями и частота колебаний поглощенного света соотносятся между собой уравнением:

$~E_2 - E_1 = h\nu.$

После поглощения света часть полученной системой энергии расходуется в результате релаксации. Часть же может быть испущена в виде фотона определённой энергии.

Соотношение спектров поглощения и флуоресценции

Спектр флуоресценции сдвинут относительно спектра поглощения в сторону длинных волн. Это явление получило название «Стоксов сдвиг». Его причиной являются безызлучательные релаксационные процессы. В результате часть энергии поглощенного фотона теряется, а испускаемый фотон имеет меньшую энергию, и, соответственно, большую длину волны.^[1]

Схематическое изображение процессов испускания и поглощения света. Диаграмма Яблонского

Схематически процессы поглощения света и флуоресценции показывают на диаграмме Яблонского.

При нормальных условиях большинство молекул находятся в основном электронном состоянии $~S_0$. При поглощении света молекула переходит в возбужденное состояние $~S_1$. При возбуждении на высшие электронные и колебательные уровни избыток энергии быстро расходуется, переводя флуорофор на самый нижний колебательный подуровень состояния $~S_1$. Однако, существуют и исключения: например, флуоресценция азулена может происходить как из $~S_1$, так и из $~S_2$ состояния.

Квантовый выход флуоресценции

Квантовый выход флуоресценции показывает, с какой эффективностью проходит данный процесс. Он определяется как отношение количества испускаемых и поглощаемых фотонов. Квантовый выход флуоресценции может быть рассчитан по формуле

$\Phi = \frac {N_{em}} {N_{abs}}$

где $~{N_{em}}$ — количество испускаемых в результате флуоресценции фотонов, а $~{N_{abs}}$ — общее количество поглощаемых фотонов. Чем больше квантовый выход флуорофора, тем интенсивнее его флуоресценция. Квантовый выход можно также определить с помощью упрощенной диаграммы Яблонского^[2], где $~{\Gamma}$ и $~k_{nr}$ — константы скорости излучательной и безызлучательной дезактивации возбужденного состояния.

Тогда доля флуорофоров, возвращающихся в основное состояние с испусканием фотона, и, следовательно, квантовый выход:

$\Phi = \frac {\Gamma} {\Gamma+k_{nr}}$

Из последней формулы следует, что $~\Phi \rightarrow 1$ если $\frac {k_{nr}} {\Gamma} \rightarrow 0$, то есть если скорость безызлучательного перехода значительно меньше скорости излучательного перехода. Отметим, что квантовый выход всегда меньше единицы из-за стоксовых потерь.

Флуоресцентные соединения

Этот раздел не завершён. Вы поможете проекту, исправив и дополнив его.

К флуоресценции способны многие органические вещества, как правило содержащие систему сопряженных π-связей. Наиболее известными являются хинин, POPOP, флуоресцеин, эозин, акридиновые красители (акридиновый оранжевый, акридиновый желтый), родамины (родамин 6ж, родамин B) и многие другие.

Применение

В производстве красок и окраске текстиля

Флуоресцентные пигменты добавляются в краски, фломастеры, а также при окраске текстильных изделий, предметов обихода, украшений и т. п. для получения особо ярких («кричащих», «кислотных») цветов с повышенным спектральным альбедо в нужном диапазоне длин волн, иногда превышающим 100%. Данный эффект достигается за счет того, что флуоресцентные пигменты преобразуют содержащийся в естественном свете и в свете многих искусственных источников ультрафиолет (а также, для жёлтых и красных пигментов, коротковолновую часть видимого спектра) в излучение нужного диапазона, делая цвет более интенсивным. Особой разновидностью флуоресцентных текстильных пигментов является оптическая синька, преобразующая ультрафиолет в излучение синего цвета, компенсирующее естественный желтоватый оттенок ткани, чем достигается эффект белоснежного цвета одежды и постельного белья. Оптическая синька применяется как при фабричной окраске тканей, так и, для освежения цвета при стирке, в стиральных порошках. Аналогичные пигменты применяются и в производстве особо высококачественной мелованной бумаги.

Флуоресцентные краски, в сочетании с «чёрным светом», часто используются в дизайне дискотек и ночных клубов. Практикуется также применение флуоресцентных пигментов в красках для татуировки.

В биологии и медицине

Основная статья: Окраска по Романовскому — Гимзе

В биохимии и молекулярной биологии нашли применение флуоресцентные зонды и красители, которые используются для визуализации отдельных компонентов биологических систем. Например, эозинофилы (клетки крови) называются так потому, что имеют сродство к эозину, благодаря чему легко поддаются подсчёту при анализе крови.

Лазеры

Основная статья: Лазер на красителях

Флуорофоры с высокими квантовыми выходами и хорошей фотостойкостью могут применяться в качестве компонентов активных сред лазеров на красителях.

В криминалистике

Основная статья: Специальные химические вещества

Отдельные флуоресцирующие вещества используются в оперативно-розыскной деятельности (для нанесения пометок на деньги, иные предметы в ходе документирования фактов дачи взяток и вымогательства. Также могут использоваться в химловушках)

В гидрологии и экологии

Флуоресцеин был применен в 1877 для доказательства того, что реки Дунай и Рейн соединены подземными каналами. ^[3]. Краситель внесли в воды Дуная, и спустя несколько часов характерную зелёную флуоресценцию обнаружили в небольшой речке, впадающей в Рейн. Сегодня флуоресцеин используют также как специфический маркер, который облегчает поиск потерпевших крушение летчиков в океане. Для этого просто разбивается ампула с красителем, который, растворяясь в воде, образует хорошо заметное зелёное пятно большого размера. Также флуорофоры могут использоваться для анализа загрязнения окружающей среды (обнаружение утечки нефти (масляных пленок) в морях и океанах).

См. также

• Люминесценция
• Фосфоресценция
• Сонолюминесценция
• Биолюминесценция
• Электрофосфоресценция
• Хемилюминесценция
• Флуориметрия

Литература

Англоязычная

• Bernard Valeur Molecular Fluorescence: Principles and Applications. — Wiley-VCH Verlag GmbH, 2001. — ISBN 3-527-60024-8
• Joseph R. Lakowicz. Principles of Fluorescence Spectroscopy / R. J. Lakowicz. -N.Y.: Springer Science, 2006. — 960 p.

Примечания

1. ↑ Стоксов сдвиг в растворах и газах. Независимость спектра испускания от длины волны поглощения. Правило зеркальной симметрии и исключения из него.
2. ↑ Joseph R. Lakowicz. Principles of Fluorescence Spectroscopy / R. J. Lakowicz. -N.Y.: Springer Science, 2006. — 960 p.
3. ↑ Berlman IB. 1971. Handbook of fluorescence spectra of aromatic molecules, 2nd ed. Academic Press, New York.

	Флуоресценция на Викискладе?