Флуоресце́нция , или флюоресценция — вид фотолюминисценции , характеризующийся быстрым окончанием испускания фотонов (часто, видимого света) после прекращения освещения возбуждающим ультрафиолетовым или видимым излучением. Флуоресценцией обычно называют излучательный переход возбуждённого состояния с самого нижнего синглетного колебательного уровня S ₁ в основное состояние S ₀ . В общем случае флуоресценцией называют разрешённый по спину излучательный переход между двумя состояниями одинаковой мультиплетности : между синглетными уровнями ${\displaystyle S_{1}\rightarrow S_{0}}$ или триплетными ${\displaystyle T_{1}\rightarrow T_{0}}$ . Типичное время жизни такого возбуждённого состояния составляет 10 ⁻¹¹ −10 ⁻⁶ с .

Флуоресценцию следует отличать от фосфоресценции — запрещённого по спину излучательного перехода между двумя состояниями разной мультиплетности. Например, излучательный переход возбуждённого триплетного состояния T ₁ в основное состояние S ₀ . Синглет-триплетные переходы имеют квантовомеханический запрет, поэтому время жизни возбуждённого 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 поглощённого света соотносятся между собой уравнением (II постулат Бора):

${\displaystyle E_{2}-E_{1}=h\nu .}$

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 поглощённого 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 ${\displaystyle S_{0}}$ . При поглощении света молекула переходит в возбуждённое состояние ${\displaystyle S_{1}}$ . При возбуждении на высшие электронные и колебательные уровни избыток энергии быстро расходуется, переводя флуорофор на самый нижний колебательный подуровень состояния ${\displaystyle S_{1}}$ . Однако, существуют и исключения: например, флуоресценция азулена может происходить как из ${\displaystyle S_{1}}$ , так и из ${\displaystyle S_{2}}$ 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

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

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

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

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

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

Флуоресцентные соединения

К флуоресценции способны многие органические вещества, как правило содержащие систему сопряжённых π-связей. Наиболее известными являются хинин , метиловый зелёный, метиловый синий, феноловый красный, кристаллический фиолетовый, бриллиантовый синий кризоловый, POPOP, флуоресцеин , эозин , акридиновые красители (акридиновый оранжевый, акридиновый жёлтый), родамины (родамин 6G, родамин B), нильский красный и многие другие.

Применение

В производстве красок и окраске текстиля

В разделе не хватает ссылок на источники (см. рекомендации по поиску ). Информация должна быть проверяема , иначе она может быть удалена. Вы можете статью, добавив ссылки на авторитетные источники в виде сносок . ( 13 июня 2021 )

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 счёт 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 , 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 многих сортов бумаги, включая бумагу для повседневного офисного использования. В ней содержание пигмента с синькой, как правило, наибольшее.

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 технике

В технические жидкости, например — антифризы , часто добавляют флюоресцентные добавки, облегчающие поиск течи из агрегата. В ультрафиолетовом свете подтёки такой жидкости становятся очень хорошо заметны ^{[ источник не указан 985 дней ]} .

В коммунальном хозяйстве флуоресцеин используется при проверке герметичности и поиске утечек теплоносителя в теплосетях, в том числе попадания технической воды из неё в систему питьевого водоснабжения .

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 .

В эпидемиологии и флуоресцеин может быть использован при эпидрасследованиях случаев кишечных инфекций с водными путями передачи , а именно для поиска мест загрязнения водоёмов , водоносных горизонтов , систем питьевого водоснабжения просачиванием в них содержимых выгребных ям , септиков , систем канализации .

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-разыскной 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 маркёр, который облегчает поиск потерпевших крушение лётчиков 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 плёнок) в морях и океанах).

См. также

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

Примечания

Литература

• Лабас Ю. А., Гордеева А. В., Фрадков А. Ф. Флуоресцирующие и цветные белки // Природа, 2003, № 3.
• Векшин Н. Л. Флуоресцентная спектроскопия биополимеров. Пущино, Фотон-век, 2009.
• // Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона : в 86 т. (82 т. и 4 доп.). — СПб. , 1890—1907.
• Флуоресценция — статья из Большой советской энциклопедии .
• Лозовская Е. // Наука и жизнь , 2004, № 8.
• // Наука и жизнь , 1998, № 5

Ссылки

В другом языковом разделе есть более полная статья (англ.) . Вы можете помочь проекту, расширив текущую статью с помощью перевода