Флуоресценция

Флуоресце́нция, или 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 <math>S_1 \rightarrow S_0</math> или триплетными <math>T_1 \rightarrow T_0</math>. 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 квантовомеханический 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 (II постулат Бора):

<math>E_2 - E_1 = h\nu.</math>

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.

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 <math>S_0</math>. При поглощении света молекула переходит в возбужденное состояние <math>S_1</math>. При возбуждении на высшие электронные и колебательные уровни избыток энергии быстро расходуется, переводя флуорофор на самый нижний колебательный подуровень состояния <math>S_1</math>. Однако, существуют и исключения: например, флуоресценция азулена может происходить как из <math>S_1</math>, так и из <math>S_2</math> 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

<math> \Phi = \frac {N_{em}} {N_{abs}} </math>

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

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

<math> \Phi = \frac {\Gamma} {\Gamma+k_{nr}} </math>

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

Флуоресцентные соединения

К флуоресценции способны многие органические вещества, как правило содержащие систему сопряженных π-связей. Наиболее известными являются хинин, метиловый зеленый, метиловый синий, феноловый красный, кристаллический фиолетовый, бриллиантовый синий кризоловый, 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

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

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

В криминалистике

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.. 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

• Лабас Ю. А., Гордеева А. В., Фрадков А. Ф. Флуоресцирующие и цветные белки // Природа, 2003, № 3.

Ссылки

• Флуоресценция — статья из Большой советской энциклопедии.

Статьи

• Лозовская Е. [www.nkj.ru/archive/articles/1981/?phrase_id=2626921 Почему они светятся] // Наука и жизнь, 2004, № 8.
• [www.nkj.ru/news/21242/ Флуоресцирующие кораллы помогут в борьбе с гриппом]
• [www.nkj.ru/archive/articles/10599/ Свечение минералов] // Наука и жизнь, 1998, № 5