Флуоресценция
-
Флуоресценция и её механизмы
- Флуоресценция — это излучение света веществом, поглотившим свет или другое электромагнитное излучение.
- Флуоресцентные материалы перестают светиться почти сразу после отключения источника излучения, в отличие от фосфоресценции.
- Флуоресценция возникает при поглощении фотона орбитальным электроном, который затем возвращается на прежний энергетический уровень, испуская фотон другой частоты.
-
Практическое применение флуоресценции
- Флуоресценция используется в минералогии, геммологии, медицине, химических сенсорах, флуоресцентной маркировке, красителях, биологических детекторах и других областях.
- Наиболее распространенное применение — в люминесцентных лампах и светодиодных светильниках.
-
История изучения флуоресценции
- Флуоресценция наблюдалась задолго до её названия и понимания.
- Ранние наблюдения были известны ацтекам и описаны в 1560 году Бернардино де Саагуном и Николасом Монардесом.
- В 1819 году Э.Д. Кларк и в 1822 году Рене Жюст Оу описали разновидности флюоритов.
- В 1833 году сэр Дэвид Брюстер описал аналогичный эффект в хлорофилле.
- В 1842 году Беккерель заметил, что сульфид кальция излучает свет после воздействия солнечного ультрафиолета.
- В 1852 году Джордж Габриэль Стоукс описал способность плавикового шпата и других веществ превращать невидимый свет в видимый.
-
Современные достижения и различия
- В 1950-х годах были проведены различия между тремя механизмами генерации света.
- Флуоресценция (синглетное излучение) распространена в лазерных средах.
- Фосфоресценция (триплетная фосфоресценция) имеет более длительное время затухания.
- Стойкая фосфоресценция (стойкое свечение) имеет время затухания от одной секунды до многих часов.
-
Физические принципы флуоресценции
- Флуоресценция возникает при переходе возбужденной молекулы в основное состояние путем испускания фотона.
- Фотоны флуоресценции имеют меньшую энергию по сравнению с фотонами, используемыми для возбуждения.
- Квантовый выход флуоресценции определяет эффективность процесса.
- Соединения с квантовым выходом 0,10 считаются достаточно флуоресцентными.
-
Влияние скорости на флуоресценцию
- Изменение скорости влияет на время жизни возбужденного состояния и квантовый выход флуоресценции.
- Квантовый выход флуоресценции измеряется по сравнению со стандартным раствором.
-
Стандартные растворы для флуоресценции
- Хинин в 0,1 М растворе хлорной кислоты (Φ = 0,60) не зависит от температуры до 45 °C.
- Хинин сульфат хинина в растворе серной кислоты больше не используется как стандартный раствор из-за зависимости от температуры.
-
Время жизни флуоресценции
- Время жизни флуоресценции — это среднее время, в течение которого молекула остается в возбужденном состоянии перед испусканием фотона.
- Флуоресценция обычно протекает по кинетике первого порядка.
- Различные радиационные и нерадиационные процессы могут привести к потере возбужденного состояния.
-
Диаграмма Яблонского
- Диаграмма Яблонского описывает механизмы релаксации молекул в возбужденном состоянии.
- Анизотропия флуоресценции зависит от момента перехода флуорофора.
-
Флуоресценция в природе
- Флуоресценция широко распространена в природе и имеет множество применений.
- Некоторые глубоководные животные, такие как зеленоглазые, обладают флуоресцентными структурами.
-
Флуоресценция и биолюминесценция
- Флуоресценция отличается от биолюминесценции тем, что это поглощение и повторное излучение света из окружающей среды.
- Биолюминесценция — это естественное образование света в результате химических реакций внутри организма.
-
Фосфоресценция
- Фосфоресценция похожа на флуоресценцию, но электрон сохраняет стабильность, излучая свет, который продолжает светиться в темноте.
-
Механизмы флуоресценции
- Флуоресцентные хроматофоры содержат пигменты, активируемые ионами K+, и иннервируются нервной системой.
- Флуоресцентные клетки эпидермиса рыб реагируют на гормональные стимулы и могут менять цвет в течение дня.
-
Филогенетика флуоресценции
- Флуоресценция широко распространена по всему древу жизни и наиболее изучена у книдарий и рыб.
-
Флуоресценция у различных таксонов
- Флуоресценция развита у угрей, бычков, рыб-триггеров и других таксонов.
- Флуоресценция генотипически и фенотипически изменчива.
- Виды с камуфляжем демонстрируют наибольшее разнообразие флуоресценции.
-
Происхождение и функции флуоресцентных белков
- Флуоресцентные белки возникли как доноры электронов, активируемые светом.
- Функции флуоресцентных белков развились вторично.
- Флуоресценция может выполнять функции в передаче сигналов, спаривании, маскировке и защите.
-
Флуоресценция в водной среде
- Вода поглощает свет с длинными длинами волн, что влияет на восприятие цветов.
- Флуоресценция зависит от наличия внешних источников света.
- В фототической зоне флуоресценция служит для коммуникации и маскировки.
-
Флуоресценция у рыб
- Мелководные рыбы используют флуоресценцию для коммуникации.
- Желтые внутриглазные фильтры позволяют визуализировать флуоресценцию.
- Флуоресценция используется для улучшения зрения и внутривидовой сигнализации.
-
Флуоресценция у акул и кораллов
- Акулы используют флуоресценцию для маскировки и коммуникации.
- Флуоресцентные белки в кораллах способствуют фотосинтезу и антиоксидантным свойствам.
-
Флуоресценция у головоногих моллюсков и медуз
- Кальмары и медузы используют флуоресценцию для маскировки и стайной сигнализации.
- Медуза Aequorea victoria используется в генетических исследованиях.
-
Флуоресценция у креветок-богомолов и сифонофор
- Креветки-богомолы используют флуоресценцию для демонстрации угрозы и брачных ритуалов.
- Сифонофоры используют флуоресценцию для привлечения добычи.
-
Флуоресценция у земноводных
- Флуоресценция распространена среди земноводных, но степень проявления варьирует.
-
Флуоресценция у лягушек
- Древесная лягушка в горошек (Hypsiboas punctatus) была первой флуоресцирующей амфибией, обнаруженной в 2017 году.
- Флуоресценция связана с новым соединением Гилоин-L1, дающим сине-зеленое свечение.
- Флуоресценция может использоваться для коммуникации и может быть распространена среди лягушек.
-
Флуоресценция у других амфибий
- В 2019 году у двух лягушек из Бразилии были обнаружены флуоресцирующие скелеты.
- Флуоресценция не связана с апосематической окраской или выбором партнера.
- В 2020 году флуоресценция была подтверждена у головастиков, саламандр и цецилий.
-
Флуоресценция у бабочек
- Бабочки-ласточкины хвосты обладают сложной системой излучения флуоресцентного света.
- Флуоресценция усиливается при поглощении небесно-голубого света.
-
Флуоресценция у попугаев
- Попугаи имеют флуоресцентное оперение, используемое для подачи сигналов о спаривании.
- Флуоресценция может быть показателем высокого индивидуального качества.
-
Флуоресценция у пауков
- Пауки флуоресцируют под воздействием ультрафиолетового излучения.
- Флуоресценция эволюционно лабильна и может иметь экологическое значение.
-
Флуоресценция у утконоса
- В 2020 году сообщалось о флуоресценции нескольких особей утконоса.
-
Флуоресценция у растений
- Многие растения флуоресцируют из-за присутствия хлорофилла.
- Флуоресценция используется для измерения эффективности фотосинтеза.
-
Флуоресценция в минералах
- Драгоценные камни и минералы могут флуоресцировать под воздействием различных видов излучения.
- Флуоресценция вызывается активаторами, такими как марганец, уран, хром и европий.
-
Флуоресценция в органических жидкостях
- Органические растворы, такие как антрацен и стильбен, флуоресцируют при облучении ультрафиолетовыми или гамма-лучами.
-
Флуоресценция в атмосфере
- Флуоресценция наблюдается в атмосфере при интенсивной электронной бомбардировке.
-
Флуоресцентные материалы в повседневной жизни
- Витамин В2, тонизирующая вода и чернила-хайлайтеры флуоресцируют.
- Банкноты, почтовые марки и кредитные карты часто имеют флуоресцентные защитные элементы.
-
Новые технологии
- В 2020 году созданы самые яркие флуоресцентные твердые оптические материалы.
- Эти материалы могут найти применение в сборе солнечной энергии, биовизуализации и лазерах.
-
Освещение
- Обычная люминесцентная лампа работает на основе флуоресценции.
-
Люминесцентное освещение
- Электрический разряд в трубке заставляет атомы ртути излучать ультрафиолетовый свет.
- Люминофор поглощает ультрафиолетовый свет и повторно излучает видимый свет.
- Люминесцентное освещение более энергоэффективно, чем лампы накаливания.
- Неравномерный спектр традиционных люминесцентных ламп может искажать цвета.
-
Современные люминесцентные лампы
- Современные трехцветные люминофорные системы улучшают цветопередачу.
- Люминесцентные лампы впервые появились на Всемирной выставке в Нью-Йорке в 1939 году.
- Усовершенствования включают улучшение качества люминофоров и увеличение срока службы.
-
Светодиодные лампы
- Белые светодиоды стали доступны в середине 1990-х годов.
- Синий свет, излучаемый полупроводником, проходит через люминофор, создавая белый свет.
-
Флуоресцентные материалы
- Флуоресцентные материалы используются в светящихся палочках для поглощения света.
-
Аналитическая химия
- Флуорометры используются для измерения концентрации флуоресцентных молекул.
- Флуоресценция на нескольких длинах волн может быть обнаружена матричным детектором.
-
Спектроскопия
- Для флуоресцентного анализа используется источник света с различными длинами волн.
- Флуоресцентное излучение пропускается через эмиссионный монохроматор для разделения длин волн.
-
Лазеры
- Лазеры используют флуоресценцию определенных материалов для создания лазерного луча.
-
Биохимия и медицина
- Флуоресценция используется для отслеживания биологических молекул.
- Флуоресцентная микроскопия применяется для визуализации тканей и клеток.
- Иммунология использует флуоресцентные антитела для обнаружения антигенов.
- FRET и FLIM используются для изучения белковых взаимодействий и биомолекулярных взаимодействий.
- Биотехнология изучает флуоресцентные биосенсоры глюкозы.
- Автоматическое секвенирование ДНК использует флуоресцентные метки для идентификации оснований.
- FACS используется для сортировки клеток.
- Обнаружение ДНК с помощью бромида этидия.
- FIGS и внутрисосудистая флуоресценция используются в медицинской визуализации.
- SAFI используется в электрокинетике и микрофлюидике.
- Флуоресцентные анализы выявляют токсичные химические вещества.
- Обнаружение костных краев с помощью флуоресцентных ламп.
- Судебная экспертиза использует флуоресцентные соединения для визуализации отпечатков пальцев и крови.
- Неразрушающий контроль использует флуоресцентный пенетрантный контроль и отслеживание красителей.
-
Флуоресцентные цвета в вывесках и дорожных знаках
- Флуоресцентные цвета узнаваемы на больших расстояниях
- Флуоресцентный оранжевый особенно заметен
- Используется в знаках безопасности и этикетках
-
Оптические отбеливатели
- Флуоресцентные соединения улучшают внешний вид ткани и бумаги
- Белая поверхность, обработанная оптическим отбеливателем, кажется ярче
- Синий свет компенсирует уменьшение синевы материала
- Используются в стиральных порошках, бумаге, косметике, одежде и других продуктах
-
Линейные фильтры atomic line
- Используют явление флуоресценции для эффективной фильтрации света
-
Черный свет
- Черная светлая краска
- Волоконная фотометрия
- Метка, активирующая флуоресценцию
- Корреляционная спектроскопия флуоресценции
- Хирургия с использованием флуоресцентного изображения
- Флуоресценция в растениях
- Флуоресцентная спектроскопия
- Люминесцентная лампа
- Флуоресцентный многослойный диск
- Флюорометр
- Одежда, обеспечивающая высокую видимость
- Встроенный флюорометр
- Индуцированная лазером флуоресценция
- Список источников света
- Искусство микробиологии с использованием флуоресцентных бактерий
- Эффект Мессбауэра, резонансная флуоресценция гамма-лучей
- Органические светодиоды могут быть флуоресцентными
- Фосфоресценция
- Люминофорная термометрия
- Двухфотонное поглощение
- Вибронная спектроскопия
- Рентгеновская флуоресценция
-
Рекомендации и внешние ссылки
- Fluorophores.org, база данных флуоресцентных красителей
- FSU.edu, Основные понятия в области флуоресценции
- Лекция Дэвида Джеймсона «Наноистория флуоресценции»
- Спектры возбуждения и испускания различных флуоресцентных красителей
- База данных флуоресцентных минералов с изображениями, активаторами и спектрами (fluomin.org)
- «Ночное погружение с использованием биофлуоресцентных лучей»
- Штеффен О. Бейер. «FluoPedia.org: Публикации»
- Штеффен О. Бейер. «FluoMedia.org: Наука»