Флуоресценция: явление и применение¶
Флуоресценция — физическое явление, при котором вещество, поглотившее свет или другое электромагнитное излучение, испускает собственное излучение с большей длиной волны (меньшей энергией) в течение крайне короткого времени после возбуждения — обычно от наносекунд до микросекунд. Относится к разновидностям люминесценции и отличается от фосфоресценции тем, что прекращается практически сразу после устранения источника возбуждения.
¶Физическая природа
В основе явления лежит квантовомеханический процесс. Молекула или атом поглощает фотон и переходит в возбуждённое электронное состояние. Затем происходит частичная потеря энергии за счёт безызлучательных переходов (колебательная релаксация), после чего система возвращается в основное состояние, испуская фотон. Поскольку часть энергии уже рассеялась, испущенный фотон имеет меньшую энергию и большую длину волны, чем поглощённый. Это смещение называют стоксовым сдвигом — в честь ирландского физика Джорджа Стокса, описавшего его в 1852 году.
Ключевая характеристика — время жизни флуоресценции, за которое интенсивность свечения падает в e раз. Оно определяется вероятностями излучательных и безызлучательных переходов. Квантовый выход — отношение числа испущенных фотонов к числу поглощённых — показывает эффективность процесса и для хороших флуорофоров близок к единице.
¶История изучения
Свечение некоторых веществ под действием света наблюдали ещё в XVI–XVII веках: испанский врач Николас Монардес описал «светящееся дерево» — отвар из мексиканского растения, а английский учёный Роберт Бойль в 1664 году демонстрировал свечение растворов. Термин «флуоресценция» предложил в 1852 году Джордж Стокс, связав название с минералом флюоритом (плавиковым шпатом), у которого наблюдалось это свойство. В XX веке с развитием квантовой механики явление получило строгое теоретическое объяснение, а работы Александра Яблонского (СССР) и Теодора Фёрстера (Германия) заложили основы спектроскопии и описания переноса энергии.
¶Виды и разновидности
- Молекулярная флуоресценция — свечение органических и неорганических молекул в растворах и газах.
- Атомная флуоресценция — испускание возбуждёнными атомами, используется в аналитической химии.
- Рентгеновская флуоресценция — возникает при облучении образца рентгеновским излучением; применяется для определения элементного состава.
- Резонансная флуоресценция — испускание на той же длине волны, что и возбуждение.
- Задержанная флуоресценция — испускание с задержкой за счёт повторного заселения возбуждённого состояния.
¶Применение
¶Наука и медицина
Флуоресцентные красители (флуорофоры) позволяют визуализировать биологические структуры. Метод флуоресцентной микроскопии, включая конфокальную, широко применяется в цитологии и генетике. Флуоресцентные зонды используются в иммуноанализе, проточной цитометрии, секвенировании ДНК. В медицине флуоресцентная диагностика помогает выявлять опухоли и оценивать состояние тканей.
¶Техника и повседневная жизнь
Люминесцентные лампы работают за счёт свечения люминофоров, возбуждаемых ультрафиолетом газового разряда. Светодиоды с люминофорным покрытием дают белый свет. Флуоресцентные пигменты и краски применяются в текстиле, полиграфии, защите банкнот и документов от подделок. Оптические отбеливатели в моющих средствах и бумаге придают материалам видимую белизну, преобразуя ультрафиолет в голубое свечение.
¶Аналитика
Флуоресцентный анализ — один из самых чувствительных методов обнаружения веществ: он позволяет регистрировать единичные молекулы. Рентгенофлуоресцентные спектрометры используются для контроля состава металлов, сплавов, руд, почв и археологических находок.
¶Флуоресценция в природе
Многие живые организмы обладают естественной флуоресценцией. Хлорофилл растений флуоресцирует в красной области, что применяется для оценки фотосинтеза. Кораллы, медузы, некоторые рыбы и насекомые содержат флуоресцентные белки, важнейший из которых — зелёный флуоресцентный белок (GFP), выделенный из медузы Aequorea victoria. За его открытие и применение в биологии Осаму Симомура, Мартин Чалфи и Роджер Тсиен получили Нобелевскую премию по химии в 2008 году. В России исследования люминесценции развивались в работах Сергея Вавилова, основавшего в 1930-е годы научную школу физической оптики.
¶Отличие от фосфоресценции
При флуоресценции переход происходит между состояниями одинаковой мультиплетности и запрет на него минимален, поэтому свечение гаснет быстро. При фосфоресценции электрон попадает в метастабильное триплетное состояние, переход из которого в основное запрещён правилами отбора; это делает свечение длительным — от секунд до часов. Некоторые вещества проявляют оба типа свечения одновременно.
¶Критика и ограничения метода
Флуоресцентные методы чувствительны к так называемому тушению — потере интенсивности под действием примесей, кислорода, температуры или высокой концентрации самого красителя. Явление фотообесцвечивания (выгорания) ограничивает длительность наблюдений. Кроме того, флуоресценция многих биологических образцов создаёт фоновый сигнал, затрудняющий измерение. Для борьбы с этим применяют специальные среды, антиоксиданты и временное разделение сигналов.
¶Источники
- Физическая энциклопедия, статьи «Люминесценция», «Флуоресценция».
- Дж. Лакович, «Основы флуоресцентной спектроскопии».
- Нобелевский комитет, материалы по химии 2008 года.
- Работы С. И. Вавилова по люминесценции.