Флюоресценция — явление люминесценции¶

Флюоресценция — вид люминесценции, заключающийся в испускании света веществом под действием излучения более высокой энергии (обычно ультрафиолетового или видимого) с последующим быстрым прекращением свечения после прекращения возбуждения. Относится к классу фотолюминесценции, отличаясь от фосфоресценции очень малым временем жизни возбуждённого состояния — как правило, от долей наносекунды до нескольких микросекунд.

¶Природа явления

Поглощая фотон, электрон молекулы переходит на более высокий энергетический уровень. За счёт безызлучательной релаксации (столкновений с окружающими молекулами) электрон быстро опускается до нижнего возбуждённого уровня первого синглетного состояния S₁, теряя часть энергии. Излучение последующего фотона происходит из этого состояния в основное S₀. Поскольку часть энергии рассеивается в виде тепла, испускаемый фотон имеет меньшую энергию, а значит, большую длину волны, чем поглощённый. Этот сдвиг спектра называется стоксовой смещённостью (правило Стокса).

Ключевое отличие флюоресценции от фосфоресценции состоит во времени затухания: флуоресцентное свечение прекращается практически мгновенно (порядка 10⁻⁹–10⁻⁶ с) после выключения источника возбуждения, тогда как фосфоресценция может длиться от миллисекунд до часов.

¶Условия наблюдения

Для возбуждения флюоресценции обычно используют ультрафиолетовую лампу (320–400 нм) или лазер. Свечение видно на глаз, если интенсивность достаточно велика, однако для точных измерений применяют спектрофлюориметры. Часто наблюдение проводят в темноте, используя фильтры, пропускающие только собственное излучение образца.

¶Флюоресцентные вещества

Природные флуоресцентные вещества:

• Хинин — классический пример: раствор хинина в кислой воде светится голубым под УФ-излучением.
• Хлорофилл — даёт красное свечение листьев под ультрафиолетом.
• Витамин B₂ (рибофлавин) — жёлто-зелёное свечение.
• Флуоресцеин — синтетический краситель, используемый в медицине и биологии.
• Урановое стекло — содержит урановые соли, придающие стеклу яркое зелёное свечение.

Многие минералы (например, сфалерит, некоторые карбонаты) также обладают флуоресценцией, и именно это свойство легло в основу названия минерала флюорита (кальция фторида), открытого в XVIII веке.

¶Применение

¶Биология и медицина

Флуоресцентная микроскопия позволяет визуализировать структуры клеток, используя флуоресцентные метки (флуорохромы), которые связываются с определёнными молекулами. Метод иммунофлуоресценции применяется для диагностики инфекционных заболеваний. Зелёный флуоресцентный белок (GFP), выделенный из медузы Aequorea victoria, стал основой для маркировки генов и белков; его открытие отмечено Нобелевской премией по химии 2008 года (О. Циммерман, М. Чалфи, Р. Цинн).

¶Криминалистика

Обнаружение следов крови, спермы и других биологических жидкостей с помощью люминесцентных реагентов (люминол и аналоги) основано на хемилюминесценции, близкой по принципу к флуоресценции.

¶Геология и добыча

Флуоресценция минералов используется при сортировке руд. Урановое стекло и некоторые фосфоры применяются в индикаторах ультрафиолетового излучения.

¶Техника

Флуоресцентные лампы работают за счёт того, что ультрафиолетовое излучение разряда в парах ртути преобразуется люминофором (обычно вольфраматом кальция с добавками) в видимый свет. Светодиоды с флуоресцентным покрытием (люминофором) дают белый свет.

¶Наука

Спектроскопия флуоресценции применяется для анализа состава веществ, изучения молекулярных взаимодействий, определения концентраций веществ в растворах (флуориметрия). Метод обладает высокой чувствительностью — в отдельных случаях удается обнаружить концентрации порядка 10⁻⁹ моль/л.

¶История

Явление флуоресценции было впервые описано в 1560 году итальянским учёным Никколо Картезио, а позднее — английским физиком Джорджем Стоксом, который в 1852 году ввёл термин «флуоресценция» (по названию минерала флюорита) и сформулировал правило смещения спектра. Стокс также предложил термин «люминесценция» для обозначения свечения, не связанного с высокой температурой.

¶См. также

• Люминесценция
• Фосфоресценция
• Стоксово смещение
• Флуориметрия
• Зелёный флуоресцентный белок

¶Источники

• Стокс Г. «On the Change of Refrangibility of Light» (1852)
• Левшин Р. В. «Фотолюминесценция жидких и твёрдых растворов»
• Гуревич А. М. «Оптика люминесцентных материалов»
• Библиотека научных статей по спектроскопии люминесценции