Многие вещества могут поглощать ультрафиолет и в ответ излучать свет — это связано с особенностями их молекулярного строения. Такое свечение называют флуоресценцией, и его активно используют в медицине, биологии, промышленности и других сферах. В этой статье мы подробно разберём, как работает флуоресценция, где она применяется и почему это явление так важно.
Что такое флуоресценция
Флуоресценция — это явление, при котором молекулы вещества поглощают свет, особенно ультрафиолетовый, и испускают собственный свет. Такое свечение происходит, когда молекула переходит в возбуждённое состояние под действием света, а затем возвращается в исходное состояние, выделяя фотон. Длина волны излучённого света больше, а энергия — меньше, чем у поглощённого. Свечение продолжается только при воздействии источника света.
Рисунок 1. Флуоресценция в действии
Характеристики флуоресценции
Длина волны флуоресценции
Флуоресценция возникает, когда вещество поглощает свет с короткой длиной волны (например, ультрафиолет) и испускает свет с более длинной длиной волны — обычно в видимом диапазоне. При этом энергия излучённого света меньше, чем поглощённого.
Длина волны флуоресценции зависит от вещества. Например, органические соединения светятся в диапазоне от 200 до 830 нм. Свечение эозиона (красителя) характеризуется излучением в диапазоне 530-700 нм.
Спектр флуоресценции, как он определяется
Спектр испускания флуоресценции устанавливает зависимость ее интенсивности от длины волны. Его изучение важно для проведения количественного или качественного анализа в биологических системах. Кроме того, исследование устанавливает их взаимодействие с другими соединениями.
Спектр флуоресценции определяют с помощью установки, оборудованной источником возбуждающего света, монохроматором, светофильтром, линзами. Эти приборы позволяют выделять и анализировать свет с разной длиной волны.
От чего зависит интенсивность флуоресценции
Следующая важная характеристика — это интенсивность флуоресценции. Она характеризуется числом фотонов, испущенных за единицу времени. Наибольшая интенсивность свечения определяется молекулярными свойствами объекта исследования.
На интенсивность флуоресценции воздействуют следующие факторы:
- Химический состав молекул исследуемого вещества. Его флуоресцирующие свойства зависят от карбонильной, карбоксильной нитрогруппы.
- Количество растворенного вещества и его состав.
- Температура. Эффективность флуоресценции снижается на 2% при повышении показателя на 1%.
- Посторонние примеси в растворе.
- Концентрация кислорода.
Интенсивность свечения определяют с помощью флуорометров, фиксирующих излучение.
Примеры в жизни и науке
Свойства короткого свечения широко используют в быту.
Например, для следующих операций:
- нанесения разметки на дорожное полотно
- обозначения комплексов с дренажными, водоотводными укрепительными элементами
- оформления ландшафтного дизайна
- определения лекарственных веществ и прочего
Кроме того, флуоресцентные вещества популярны во флористике, рекламе, для тюнинга велосипедов, мотоциклов, мопедов. Другой пример флуоресценции — это светящиеся медузы, креветки и другие обитатели морских глубин.
Рисунок 2. Природная флуоресценция: медузы в ультрафиолете
Некоторые обычные продукты, например пшеничная мука и свежее мясо, проявляют флуоресценцию под ультрафиолетом. Метод широко применяют в медицине, пищевой промышленности и криминалистике.
Флуоресцентные лампы и краски
В лабораториях для флуоресцентного анализа используют различные источники света — ультрафиолетовые лампы, рентгеновские трубки и специальные микроскопы, которые позволяют детально изучать биологические и минеральные образцы.
Светящиеся краски — это особый вид покрытия, который ярко светится под ультрафиолетом. Эти материалы отличаются насыщенными цветами и устойчивостью к влаге.
Флуоресценция в медицине и криминалистике
В медицине флуоресценцию используют для диагностики. Например, в онкологии флуоресценция помогает выявить злокачественные опухоли. Раковые клетки накапливают специфические вещества, светящиеся под лазерным излучением.
Кроме того, флуоресценция в медицине используется для диагностики биологических жидкостей организма. В дерматологии метод свечения используют для изучения заболеваний кожи.
Вдобавок, флуоресцентные сигналы модулируют такие заболевания, как:
- псориаз
- акне
- базальноклеточная карцинома и другое
В криминалистике флуоресценция помогает выявлять биологические следы: кровь, слюна и даже следы бензина светятся разными цветами под ультрафиолетом.
Рисунок 3. Диагностика с помощью флуоресценции
Что такое фосфоресценция?
Фотолюминесценция включает два параметра: флуоресценцию и фосфоресценцию. Их молекулы выполняют одинаковые функции: поглощают свет и испускают фотоны с меньшей энергией.
Однако между ними есть разница, которая заключается в длительности свечения.
Флуоресценция проявляется очень быстро, но направление вращения электронов не меняется.
Фосфоресценция, напротив, длится от 1-2 минут до нескольких часов. В этот период электроны переходят в состояние с низкой энергией, изменяется направление их движения.
Определение и виды фосфоресценции
Фосфоресценция — это процесс медленного высвобождения световой энергии.
Ее виды:
- триплетный
- стойкий
При триплетной фосфоресценции атом поглощает фотоны высокой энергии. С учетом этого она ограничена спиновой множественностью электронов. Затем они переходят в триплетное состояние, сопровождающееся медленным высвобождением энергии.
Стойкая фосфоресценция, напротив, возникает, когда фотоны высокой энергии поглощаются атомом. В этом случае электроны находятся в дефектных отверстиях кристаллической решетки.
Энергия накапливается до тех пор, пока не освободится после случайного всплеска тепла. В этом случае вещество излучает слабый свет от 1-2 секунд до нескольких часов.
Для научных исследований используют распространенные фосфоресцирующие материалы:
- сульфид цинка
- алюминат стронция и другое
Кроме того, другие материалы, например барит, кальцит, применяют в геологии, астрономии для установления корпускулярного излучения внеземного источника.
Отличие флуоресценции от фосфоресценции
Оба механизма испускают фотоны с небольшой энергией. Однако у них есть и различия.
| Опции | Флуоресценция | Фосфоресценция |
|---|---|---|
| Длительность остаточного свечения | от 10⁻⁹ до 10⁻⁶ секунд | От 1-2 минут до нескольких часов |
| Направление движения электронов | Не меняется | Переходит в состояние с низкой энергией |
Методы исследования на основе флуоресценции
Для изучения объектов с помощью эффекта свечения применяют два метода: спектроскопический и микроскопический. Эти методы основаны на том, что вещество светится под воздействием специального излучения, и с их помощью можно измерять энергию взаимодействия между разными частями вещества.
Спектроскопию применяют для регистрации электронно-колебательных состояний молекул, химических свойств растворов и прочего.
Виды микроскопии:
- Эпифлуоресцентная;
- Конфокальная;
- Полного внутреннего отражения;
- Двухфотонная.
Перспективы применения
С помощью замедленной флуоресценции изучают фитопланктон морской экосистемы. Для биомедицинских исследований используют флуоресцентные полимерные комплексы иридия.
Кроме того, с помощью метода свечения исследуют особенности слизистой оболочки кишечника у пациентов с раком прямой кишки. Лазерная флуоресценция применяется в новых системах наблюдения и оптической связи.
Заключение
Флуоресценция — это уникальное явление, которое позволяет веществам поглощать свет и излучать его в видимом диапазоне, находя широкое применение в науке, медицине, промышленности и повседневной жизни. Благодаря способности молекул флуоресцировать, учёные могут изучать биологические процессы, диагностировать заболевания, анализировать химические соединения и даже выявлять следы в криминалистике.
