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) в 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^в11в10^в6 с.

Флуоресценцию следует отличать от фосфоресценции в 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^в3в10^в2 с.

[править] Происхождение термина

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

[править] История изучения

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

[править] 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.

[править] 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]

[править] 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.

[править] 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 $~{N_{em}}$ в количество испускаемых в результате флуоресценции фотонов, а $~{N_{abs}}$ в 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 $~k_{nr}$ в 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.

[править] Флуоресцентные соединения

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.

[править] Применение

[править] 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.

[править] В биологии и медицине

Основная статья: Окраска по Романовскому в 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.

[править] Лазеры

Основная статья: Лазер на красителях

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

[править] 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)

[править] 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 паллетного размера. Также флуорофоры могут использоваться для анализа загрязнения окружающей среды (обнаружение утечки нефти (масляных пленок) в морях и океанах).

[править] См. также

[править] Литература

[править] Англоязычная

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

[править] Примечания

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

Это заготовка статьи по физике. Вы можете помочь проекту, исправив и дополнив её.

[0] в‘ Стоксов сдвиг в растворах и газах. Независимость спектра испускания от длины волны поглощения. Правило зеркальной симметрии и исключения из него.

[1] в‘ Joseph R. Lakowicz. Principles of Fluorescence Spectroscopy / R. J. Lakowicz. -N.Y.: Springer Science, 2006. в 960 p.

[2] в‘ Berlman IB. 1971. Handbook of fluorescence spectra of aromatic molecules, 2nd ed. Academic Press, New York.

[1]

[2]

[3]

Источники искусственного света
Накаливания	Лампа накаливания Галогенная лампа
Флуоресцентные	Люминесцентная лампа (компактная люминесцентная лампа) Катодолюминесцентная лампа Индукционная лампа Ртутная лампа Лампа чёрного света
Газоразрядные	Лампы высокой интенсивности Неоновая лампа Натриевая газоразрядная лампа Ксеноновая лампа-вспышка Газосветные лампы Безэлектродная лампа Плазменная лампа Плазменная лампа с внешними электродами
Электродуговые	Угольная дуговая лампа Ксеноновая дуговая лампа Свеча Яблочкова Металлогалогенная лампа
На сгорании	Лучина Факел Свеча Масляная лампа Газовая лампа Ацетиленовая лампа Керосиновая лампа Калильная сетка Друммондов свет
Полупроводниковые	Светодиоды (светодиодная лампа) органический светодиод
Прочие	Серная лампа
Люминесценции	Электролюминесценция Хемилюминесценция Биолюминесценция Радиолюминесценция Сонолюминесценция Термолюминесценция Фотолюминесценция (флуоресценция фосфоресценция) Триболюминесценция Кандолюминесценция Черенковское излучение
Осветительное оформление	Прожектор Люстра Торшер Бра Лампочка Ильича Фонарь (уличный карманный) Взрывобезопасная лампа Плазменная лампа Электролюминесцентный провод Лавовая лампа Оптическое волокно

Флуоресценция

Содержание

[править] Происхождение термина

[править] История изучения

[править] Теоретические основы

[править] Соотношение спектров поглощения и флуоресценции

[править] Схематическое изображение процессов испускания и поглощения света. Диаграмма Яблонского

[править] Квантовый выход флуоресценции

[править] Флуоресцентные соединения

[править] Применение

[править] В производстве красок и окраске текстиля

[править] В биологии и медицине

[править] Лазеры

[править] В криминалистике

[править] В гидрологии и экологии

[править] См. также

[править] Литература

[править] Англоязычная

[править] Примечания

Личные инструменты

Пространства имён

Варианты

Просмотры

Действия

Поиск

Навигация

Участие

Печать/экспорт

Инструменты

На других языках