Fluorescens

Fluorescens , eller fluorescens ,  är en fysisk process, en sorts luminescens . Fluorescens brukar kallas den strålande övergången av ett exciterat tillstånd från den lägsta singlettvibrationsnivån S 1 till grundtillståndet S 0 [1] . I det allmänna fallet är fluorescens en spin-tillåten strålningsövergång mellan två tillstånd av samma mångfald : mellan singlettnivåer eller triplettnivåer . Den typiska livslängden för ett sådant exciterat tillstånd är 10 −11 −10 −6 s [2] .

Fluorescens bör särskiljas från fosforescens  , en spin-förbjuden strålningsövergång mellan två tillstånd av olika mångfald. Till exempel den strålande övergången av ett exciterat tripletttillstånd Ti till grundtillståndet So. Singlet-triplettövergångar har ett kvantmekaniskt förbud, så livslängden för det exciterade tillståndet under fosforescens är cirka 10 −3 −10 −2 s [3] .

Ursprunget till termen

Termen "fluorescens" kommer från namnet på mineralet fluorit , där det först upptäcktes, och lat.  -escent  är ett suffix som betyder svag handling.

Studiens historia

Fluorescensen av kininföreningar observerades första gången av fysikern George Stokes 1852.

Teoretiska grunder

Enligt begreppen kvantkemi är elektroner i atomer belägna på energinivåer . Avståndet mellan energinivåerna i en molekyl beror på dess struktur. När ett ämne bestrålas med ljus är övergången av elektroner mellan olika energinivåer möjlig. Energiskillnaden mellan energinivåerna och svängningsfrekvensen för det absorberade ljuset relateras till varandra genom ekvationen (Bohrs postulat II):

Efter absorption av ljus förbrukas en del av energin som tas emot av systemet som ett resultat av avslappning . En del kan sändas ut i form av en foton av en viss energi [4] .

Korrelation mellan absorptions- och fluorescensspektra

Fluorescensspektrumet förskjuts i förhållande till absorptionsspektrumet mot långa våglängder. Detta fenomen har kallats " Stokes shift ". Dess orsak är icke-strålande avslappningsprocesser. Som ett resultat går en del av energin hos den absorberade fotonen förlorad, och den emitterade fotonen har en lägre energi, och följaktligen en längre våglängd [5] [6] .

Schematisk representation av processerna för emission och absorption av ljus. Yablonskys diagram

Schematiskt visas processerna för ljusabsorption och fluorescens i Yablonsky-diagrammet.

Under normala förhållanden är de flesta molekyler i det elektroniska jordtillståndet . När ljus absorberas går molekylen in i ett exciterat tillstånd . När den exciteras till de högsta elektroniska och vibrationsnivåerna förbrukas överskottsenergin snabbt, vilket överför fluoroforen till den lägsta vibrationssubnivån i tillståndet . Det finns dock undantag: till exempel kan fluorescensen av azulen förekomma både från och från staten.

Fluorescens kvantutbyte

Kvantutbytet av fluorescens visar hur effektiv denna process är. Det definieras som förhållandet mellan antalet emitterade och absorberade fotoner. Fluorescenskvantutbytet kan beräknas från formeln

där  är antalet fotoner som emitteras som ett resultat av fluorescens, och  är det totala antalet absorberade fotoner. Ju större kvantutbyte av en fluorofor , desto mer intensiv är dess fluorescens. Kvantutbytet kan också bestämmas med hjälp av det förenklade Yablonsky-diagrammet [7] , där och  är hastighetskonstanterna för den strålande och icke-strålande deaktiveringen av det exciterade tillståndet.

Sedan återgår andelen fluoroforer till grundtillståndet med emission av en foton, och därav kvantutbytet:

Det följer av den sista formeln att if , det vill säga om hastigheten för den icke-strålande övergången är mycket mindre än hastigheten för den strålningsövergången. Observera att kvantutbytet alltid är mindre än enhet på grund av Stokes- förluster.

Fluorescerande föreningar

Många organiska ämnen är kapabla att fluorescera, vanligtvis innehållande ett system av konjugerade π-bindningar. De mest kända är kinin , metylgrönt, metylblått, fenolrött, kristallviolett, briljantblått krisol, POPOP, fluorescein , eosin , akridinfärgämnen (akridin orange, akridingul), rhodaminer (rhodamin 6G, rhodamin B), nilröd och många andra.

Applikation

Vid tillverkning av färger och textilfärgning

Fluorescerande pigment tillsätts till färger , tuschpennor , såväl som vid färgning av textilier , hushållsartiklar, smycken etc. för att erhålla särskilt ljusa ("skrikande", "syra") färger med en ökad spektral albedo i det önskade våglängdsintervallet , ibland överstiger 100 %. Denna effekt uppnås på grund av det faktum att fluorescerande pigment omvandlar den ultravioletta som finns i naturligt ljus och i ljuset av många artificiella källor (och för gula och röda pigment, den kortvågiga delen av det synliga spektrumet) till strålningen av det önskade intervall, vilket gör färgen mer intensiv. En speciell typ av fluorescerande textilpigment är optiskt blått , som omvandlar ultraviolett ljus till blå strålning, vilket kompenserar för tygets naturliga gulaktiga nyans , och därigenom uppnår effekten av snövit färg på kläder och sängkläder . Optisk blått används både för fabriksfärgning av tyger och för färguppfräschning under tvätt , i tvättpulver . Liknande pigment används vid tillverkning av många typer av papper, inklusive papper för dagligt kontorsbruk. I den är innehållet av pigment med blått som regel högst.

Fluorescerande färger, i kombination med " svart ljus ", används ofta i designen av diskotek och nattklubbar . Användningen av fluorescerande pigment i tatueringsfärger praktiseras också .

Inom teknik

Fluorescerande tillsatser tillsätts ofta till tekniska vätskor, såsom frostskyddsmedel , för att göra det lättare att hitta läckor från enheten. I ultraviolett ljus blir fläckar av en sådan vätska mycket tydligt synliga. .

I allmännyttiga företag används fluorescein för att kontrollera tätheten och söka efter kylvätskeläckor i värmenätverk, inklusive inträngning av industrivatten från det in i dricksvattenförsörjningssystemet [8] [9] [10] [11] .

I biologi och medicin

Inom biokemi och molekylärbiologi har fluorescerande sonder och färgämnen använts för att visualisera enskilda komponenter i biologiska system. Till exempel är eosinofiler (blodkroppar ) så namngivna eftersom de har en affinitet för eosin , vilket gör det lätt att räkna i ett blodprov .

Inom epidemiologi och kommunal hygien kan fluorescein användas i epidemiologiska undersökningar av fall av tarminfektioner med vattenöverföring , nämligen för att söka efter platser för förorening av reservoarer , akviferer , dricksvattenförsörjningssystem genom läckage av innehållet i avloppsbrunnar , septiktankar , och avloppssystem in i dem [12] .

Lasrar

Fluoroforer med höga kvantutbyten och bra fotoresistens kan användas som aktiva mediakomponenter i färglasrar.

In forensics

Separata fluorescerande ämnen används i operativa sökaktiviteter (för att göra anteckningar om pengar, andra föremål för att dokumentera fakta om mutor och utpressning. De kan också användas i kemikaliefällor.

I hydrologi och ekologi

Fluorescein användes 1877 för att bevisa att floderna Donau och Rhen var förbundna med underjordiska kanaler. [13] . Färgämnet fördes in i Donaus vatten och några timmar senare hittades en karakteristisk grön fluorescens i en liten flod som rinner ut i Rhen. Idag används fluorescein också som en specifik markör som underlättar sökandet efter kraschade piloter i havet. För detta bryts helt enkelt en ampull med ett färgämne, som, löses i vatten, bildar en tydligt synlig grön fläck av stor storlek. Fluoroforer kan också användas för att analysera miljöföroreningar (detektion av oljeläckor (oljefilmer) i hav och oceaner).

Se även

Anteckningar

  1. ↑ Joseph R. Lakowicz. Principer för fluorescensspektroskopi . — 3:e uppl. - New York: Springer, 2006. - xxvi, 954 sidor sid. - ISBN 978-0-387-31278-1 , 0-387-31278-1.
  2. ↑ http://files.pilotlz.ru/dvd/nano/disk/!n_world/dop_mat/kons_01/02.pdf . Föreläsning nr 2. Fundamentals of luminescence (fortsättning). . Hämtad 7 januari 2020. Arkiverad från originalet 10 januari 2020.
  3. ↑ Grundläggande begrepp och betydelser inom fluorescensmikroskopi . stormoff.ru. Hämtad 7 januari 2020. Arkiverad från originalet 18 november 2019.
  4. ↑ Molecular Expressions Microscopy Primer: Specialiserade mikroskopitekniker - Fluorescens - Grundläggande begrepp i fluorescens . micro.magnet.fsu.edu. Hämtad 7 januari 2020. Arkiverad från originalet 18 januari 2020.
  5. ↑ Stokes skift i lösningar och gaser. Oberoende av emissionsspektrumet från absorptionsvåglängden. Regeln om spegelsymmetri och undantag från den. . Hämtad 11 september 2009. Arkiverad från originalet 25 december 2009.
  6. ↑ Molekylära uttryck: Vetenskap, optik och du: Ljus och färg - källor till synligt ljus . micro.magnet.fsu.edu. Hämtad 7 januari 2020. Arkiverad från originalet 11 mars 2019.
  7. ↑ Joseph R. Lakowicz. Principer för fluorescensspektroskopi / RJ Lakowicz. -NY: Springer Science, 2006. - 960 sid.
  8. ↑ Ordning från Ryska federationens Gosstroy daterad den 13 december 2000 nr 285 "Om godkännande av standardinstruktionerna för den tekniska driften av värmenätverk för offentliga värmeförsörjningssystem" Arkivkopia daterad 25 januari 2022 på Wayback Machine // punkt 6.134.
  9. ↑ Den giftiga gröna floden skrämde Novgorodians arkivkopia daterad 25 januari 2022 på Wayback Machine // 10/01/2014 Rossiyskaya Gazeta.
  10. ↑ Vatten i tre distrikt i Kazan kan bli grönt
  11. ↑ Dye kommer att upptäcka läckor i värmenätverken i Izhevsk Arkivkopia daterad 5 januari 2020 på Wayback Machine // 02/16/2018 Webbplatsen för IAU för administrationen av Izhevsk.
  12. ↑ Khotko N. I., Dmitriev A. P. Vattenfaktor vid överföring av infektioner // Penza: PGU , 2002. - 232 sid. UDC 616,9 - 036,2. - S. 50, 114-115, 190-191.
  13. ↑ Berlman IB. 1971. Handbook of fluorescence spectra of aromatic molecules, 2nd ed. Academic Press, New York.

Litteratur

Länkar

  Gå till Wikidata-objektet  Ordböcker och uppslagsverk
 Glans, färg och lyster av mineraler och stenar
Glans
Glans
Renhet
Färg
Kategori