Флуоресценция: явление и свойства¶
Флуоресценция — это вид люминесценции, при котором вещество испускает свет под действием излучения более высокой энергии (обычно ультрафиолетового или видимого), причём время излучения составляет порядка 10⁻⁸–10⁻⁹ секунд после прекращения возбуждения. Термин происходит от названия минерала флюорита (CaF₂), свойства светиться при облучении впервые описанные в 1565 году испанским учёным Николасом Монардесом.
¶Механизм явления
Флуоресценция возникает, когда электроны молекулы или атома под действием фотонов возбуждающего излучения переходят на более высокий энергетический уровень. Возвращаясь в основное состояние, электроны испускают фотоны с меньшей энергией, чем поглощённые, поскольку часть энергии теряется в виде тепла. Так как испускаемый свет имеет меньшую частоту (и большую длину волны), чем возбуждающий, наблюдаемое явление называют также стоксовой флуоресценцией (по имени физика Джорджа Габриэля Стокса, сформулировавшего это правило в 1852 году).
Ключевое отличие флуоресценции от фосфоресценции заключается во времени затухания: флуоресценция прекращается практически мгновенно (в пределах наносекунд) после выключения источника возбуждения, тогда как фосфоресценция может продолжаться от секунд до часов.
¶Классификация
По механизму возбуждения различают несколько типов люминесценции, близких к флуоресценции:
- Фотолюминесценция — возбуждение светом (включая флуоресценцию и фосфоресценцию);
- Рентгенолюминесценция — возбуждение рентгеновским излучением;
- Катодолюминесценция — возбуждение потоком электронов;
- Хемилюминесценция — возбуждение в результате химической реакции.
По характеру испускающего центра флуоресценцию делят на атомную (моноатомные газы, пары металлов) и молекулярную (органические и неорганические соединения, растворы красителей).
¶Свойства и характеристики
Спектр флуоресценции вещества не зависит от длины волны возбуждающего излучения (правило Валлена), но всегда смещён в длинноволновую сторону относительно спектра поглощения. Интенсивность флуоресценции описывается квантовым выходом — отношением числа испущенных фотонов к числу поглощённых. Для большинства органических красителей квантовый выход составляет 0,1–0,9, для некоторых неорганических соединений (например, Eu³⁺ и Tb³⁺ комплексов) — приближается к единице.
На интенсивность флуоресценции влияют температура, концентрация вещества, наличие примесей (эффект гашения или тушения флуоресценции), полярность растворителя и pH среды.
¶Проявления в природе
Флуоресценция распространена в природе. Минералы — флюорит, берилл, вольфрамит, некоторые виды кальцита — светятся при облучении ультрафиолетом. Органические соединения, содержащие ароматические кольца (хинины, рибофлавин, витамин B₂), обладают собственной флуоресценцией. Многие морские организмы — медузы, глубоководные рыбы, кораллы — используют биолюминесценцию, механизм которой частично сходен с флуоресценцией.
¶Применение
Флуоресценция нашла широкое применение в различных областях науки и техники:
- Биология и медицина — флуоресцентная микроскопия, проточная цитометрия, иммунофлуоресцентный анализ (ИФА), ПЦР с флуоресцентной детекцией, окрашивание клеток и тканей (флуоресцеин, эозин, DAPI);
- Аналитическая химия — флуориметрия, обнаружение следовых количеств веществ (предел чувствительности — до 10⁻⁹ моль/л);
- Криминалистика — обнаружение биологических жидкостей, подделка документов, люминесцентный анализ;
- Освещение — люминесцентные лампы, в которых ультрафиолетовое излучение разряда преобразуется фосфором (содержащим активаторы — соединения сурьмы, висмута, марганца) в видимый свет;
- Астрономия — анализ состава атмосфер звёзд и планет по линиям флуоресценции;
- Безопасность — защитные метки и краски, активируемые ультрафиолетом.
¶Флуоресцентные красители и метки
Значительную группу веществ составляют синтетические флуоресцентные красители: флуоресцеин, родамин, кумарин, акридиновый оранжевый, флуоресцентные изотиоцианаты. В молекулярной биологии используются флуоресцентные метки (флуорофоры), присоединяемые к нуклеотидам, белкам или антителам, что позволяет отслеживать положение и движение молекул в живых клетках.
¶Исторические сведения
Первое научное описание флуоресценции минералов принадлежит испанскому натуралисту Николасу Монардесу (1565), наблюдавшему свечение флюорита. Термин «флуоресценция» ввёл английский физик Стоукс в 1852 году. В России исследования флуоресценции развивались в работах С. И. Вавилова, изучавшего закономерности явления и предложившего метод определения квантового выхода.
¶Источники
- Вавилов С. И. Исследования по люминесценции. — М.: Изд-во АН СССР, 1952.
- Левшин В. Л. Фотолюминесценция жидкостей и растворов. — М.: Наука, 1972.
- Дурдина С. П., Ковалёв В. И. Флуоресцентный анализ. — М.: Высшая школа.
- Стокс Г. Г. On the change of refrangibility of light. — Philosophical Transactions of the Royal Society, 1852.