Fluorescence

Fluorescence ir process, kurā viela pēc gaismas vai cita elektromagnētiskā starojuma absorbēšanas izstaro gaismu. Vairumā gadījumu izstarotajai gaismai ir lielāks viļņu garums un mazāka enerģija nekā absorbētajam starojumam. Visspilgtākais fluorescences piemērs rodas, ja absorbētais starojums ir spektra ultravioletajā apgabalā un tādējādi ir neredzams cilvēka acij, bet izstarotā gaisma ir redzamās gaismas diapazonā, kas fluorescējošajai vielai piešķir noteiktu krāsu, ko var redzēt tikai tad, ja to apstaro ar UV gaismu. Fluorescējoši materiāli pārstāj spīdēt gandrīz uzreiz pēc ierosinošā starojuma izbeigšanās, atšķirībā no fosforescējošiem materiāliem, kas turpina izstarot gaismu ilgāku laiku.

Minerālu fluorescence, kuri apgaismoti ar ultravioleto gaismu.

Fluorescencei ir daudz praktisku pielietojumu, tostarp mineraloģijā, gemoloģijā, medicīnā, ķīmiskajos sensoros (fluorescences spektroskopija), fluorescentajos marķējumos, krāsvielās, bioloģiskajos detektoros un kosmiskā starojuma detektēšanā. Visizplatītākais ikdienas pielietojums ir energoefektīvās fluorescences spuldzēs un LED spuldzēs, kur fluorescējošie pārklājumi tiek izmantoti, lai pārvērstu īso viļņu garumu UV zilo gaismu garākā viļņu garuma dzeltenā gaismā, tādējādi imitējot energoneefektīvo kvēlspuldžu silto gaismu. Fluorescence bieži sastopama arī dabā dažos minerālos un dažādās bioloģiskajās formās daudzos dzīvnieku valsts atzaros.

Fizikālie principi

Mehānisms

Fluorescence rodas, kad molekulas, atoma vai nanostruktūras elektrons nonāk no ierosinātā stāvokļa pamatstāvoklī, izstarojot fotonu:

• Ierosināšana: $S_{0}+h\nu _{ex}\to S_{1}$
• Fluorescence (emisija): $S_{1}\to S_{0}+h\nu _{em}+{\text{siltums}}$

Šeit $h\nu$ ir fotona enerģija, $h$ - Planka konstante un $\nu$ - gaismas frekvence. Ierosinošās un izstarotās gaismas frekvence ir atkarīga no konkrētās sistēmas.

S₀ sauc par fluorofora (fluorescentās molekulas) pamatstāvokli, bet S₁ par pirmo ierosināto stāvokli.

Molekula, kas atrodas S₁ var nonākt pamatstāvoklī S₀ vēl vairākos veidos. Tas var notikt bezizstarojuma pāreju ceļā, kad visa ierosinošā enerģija tiek pārvērsta siltumā (molekulu svārstībās). Molekula var nonākt pamatstāvoklī S₀ arī mijiedarbojoties un atdodot savu enerģiju citai molekulai. Šo procesu sauc par fluorescences dzēšanu, jo tā rezultātā netiek izstarots fotons un fluorescences intensitāte samazinās.

Lielākajā daļā gadījumu izstarotajai gaismai ir lielāks viļņa garums un līdz ar to, mazāka enerģija nekā absorbētajam starojumam. Šo parādību sauc par Stoksa nobīdi. Tomēr, ja absorbētais elektromagnētiskais starojums ir intensīvs, viens elektrons var absorbēt divus fotonus; šī divu fotonu absorbcija var izraisīt starojuma emisiju ar īsāku viļņu garumu nekā absorbētais starojums. Šādu procesu sauc par augšuppārveidoto fluorescenci. Izstarotajam starojumam var būt arī tāds pats viļņu garums kā absorbētajam starojumam, to sauc par “rezonanses fluorescenci”.

Kvantu iznākums

Fluorescences kvantu iznākums raksturo fluorescences procesa efektivitāti. To definē, kā attiecību starp izdalīto fotonu skaitu un absorbēto fotonu skaitu.

$\Phi ={\frac {\text{Absorbēto fotonu skaits}}{\text{Izdalīto fotonu skaits}}}$

Maksimālais iespējamais fluorescences kvantu iznākums ir 100%; šādā gadījumā katrs absorbētais fotons rada izstaroto fotonu. Savienojumi ar kvantu iznākumu 10% tiek uzskatīti par labi fluorescējošiem.

Stāvokļa dzīves laiks

Jablonska diagramma. Elektronam absorbējot fotonu, molekula pāriet ierosinātā elektroniskajā un vibrāciju stāvoklī. Bezistarojuma pāreju rezultātā notiek sistēmas relaksācija, ko beigās pavada fluorescence.

Stāvokļa dzīves laiks raksturo vidējo laiku, kuru molekula pavada ierosinātā stāvoklī, pirms tā izstaro fotonu. Ierosinātā stāvokļa apdzīvotība parasti dilst eksponenciāli:

$\left[S_{1}\right]=\left[S_{1}\right]_{0}e^{-\Gamma t}$

kur $\left[S_{1}\right]$ ir molekulu koncentrācija ierosinātā stāvoklī laikā $t$, $\left[S_{1}\right]_{0}$ ir sākotnējā molekulu koncentrācija ierosinātā stāvoklī un $\Gamma$ ir pārejas varbūtība starp ierosināto stāvokli un pamatstāvokli. Ierosinātā stāvokļa apdzīvotība var samazināties starojuma un bezizstarojuma pāreju ceļā. Tādā gadījumā kopējā pārejas varbūtība ir:

$\Gamma _{tot}=\Gamma _{rad}+\Gamma _{nrad}$

kur $\Gamma _{tot}$ ir kopējā pārejas varbūtība, $\Gamma _{rad}$ - starojuma pāreju varbūtība un $\Gamma _{nrad}$ - bezizstarojuma pāreju varbūtība. Biežāk izmantotajiem fluorescējošiem savienojumiem tipisks stāvokļa dzīves laiks ir robežās no 0,5 līdz 20 nanosekundēm (starojumam ar viļņa garumiem no UV līdz tuvajam infrasarkanajam starojumam). Fluorescences dzīves laiks ir svarīgs parametrs, kas jāņem vērā fluorescences praktiskos pielietojumos, piemēram, fluorescences rezonanses enerģijas pārnesē un fluorescences dzīves laika mikroskopijā.

Jablonska diagramma

Jablonska diagramma parāda iespējamos relaksācijas mehānismus molekulām ierosinātā stāvoklī. Diagramma līdzās parāda, kā notiek fluorescence, molekulai pārejot no ierosināta stāvokļa pamatstāvoklī. Šajā gadījumā notiek gan bezizstarojuma pārejas, gan fluorescence.

Ārējās saites

• Vikikrātuvē par šo tēmu ir pieejami multivides faili. Skatīt: Fluorescence.

• Encyclopædia Britannica raksts (angliski)