Fluorescens

Fluorescens eller fluorescens  er en fysisk proces, en slags luminescens . Fluorescens kaldes sædvanligvis den radiative overgang af en exciteret tilstand fra det laveste singlet -vibrationsniveau S 1 til grundtilstanden S 0 [1] . I det generelle tilfælde er fluorescens en spin-tilladt strålingsovergang mellem to tilstande af samme mangfoldighed : mellem singletniveauer eller tripletniveauer . Den typiske levetid for en sådan exciteret tilstand er 10 −11 −10 −6 s [2] .

Fluorescens bør skelnes fra phosphorescens  , en spin-forbudt strålingsovergang mellem to tilstande med forskellig mangfoldighed. For eksempel den strålingsovergang af en exciteret triplettilstand Ti til grundtilstanden S0 . Singlet-triplet overgange har et kvantemekanisk forbud, så levetiden for den exciterede tilstand under fosforescens er omkring 10 −3 −10 −2 s [3] .

Oprindelse af udtrykket

Udtrykket "fluorescens" kommer fra navnet på mineralet fluorit , hvor det først blev opdaget, og lat.  -escent  er et suffiks, der betyder svag handling.

Studiehistorie

Fluorescensen af ​​kininforbindelser blev først observeret af fysikeren George Stokes i 1852.

Teoretisk grundlag

Ifølge begreberne kvantekemi er elektroner i atomer placeret på energiniveauer . Afstanden mellem energiniveauer i et molekyle afhænger af dets struktur. Når et stof bestråles med lys, er overgangen af ​​elektroner mellem forskellige energiniveauer mulig. Energiforskellen mellem energiniveauerne og frekvensen af ​​oscillationer af det absorberede lys er relateret til hinanden ved ligningen (Bohrs postulat II):

Efter absorption af lys bruges en del af den energi, som systemet modtager, som et resultat af afslapning . En del kan udsendes i form af en foton af en bestemt energi [4] .

Korrelation mellem absorptions- og fluorescensspektre

Fluorescensspektret forskydes i forhold til absorptionsspektret mod lange bølgelængder. Dette fænomen er blevet kaldt " Stokes-skiftet ". Dens årsag er ikke-strålende afslapningsprocesser. Som følge heraf går en del af energien af ​​den absorberede foton tabt, og den udsendte foton har en lavere energi, og følgelig en længere bølgelængde [5] [6] .

Skematisk fremstilling af processerne for emission og absorption af lys. Yablonskys diagram

Skematisk er processerne for lysabsorption og fluorescens vist i Yablonsky-diagrammet.

Under normale forhold er de fleste molekyler i jordens elektroniske tilstand . Når lys absorberes, går molekylet i en exciteret tilstand . Når den exciteres til de højeste elektroniske og vibrationsniveauer, forbruges den overskydende energi hurtigt, hvilket overfører fluoroforen til det laveste vibrationsunderniveau i tilstanden . Der er dog undtagelser: for eksempel kan fluorescensen af ​​azulen forekomme både fra og fra staten.

Fluorescens kvanteudbytte

Kvanteudbyttet af fluorescens viser, hvor effektiv denne proces er. Det er defineret som forholdet mellem antallet af udsendte og absorberede fotoner. Fluorescenskvanteudbyttet kan beregnes ud fra formlen

hvor  er antallet af fotoner, der udsendes som følge af fluorescens, og  er det samlede antal absorberede fotoner. Jo større kvanteudbyttet af en fluorofor er, jo mere intens er dens fluorescens. Kvanteudbyttet kan også bestemmes ved hjælp af det forenklede Yablonsky-diagram [7] , hvor og  er hastighedskonstanterne for den strålings- og ikke-strålingsdeaktivering af den exciterede tilstand.

Derefter vender fraktionen af ​​fluoroforer tilbage til grundtilstanden med emission af en foton, og dermed kvanteudbyttet:

Det følger af den sidste formel, at hvis , det vil sige, hvis hastigheden af ​​den ikke-strålende overgang er meget mindre end hastigheden af ​​den strålingsovergang. Bemærk, at kvanteudbyttet altid er mindre end enhed på grund af Stokes- tab.

Fluorescerende forbindelser

Mange organiske stoffer er i stand til fluorescens, og de indeholder normalt et system af konjugerede π-bindinger. De mest kendte er kinin , methylgrøn, methylblå, phenolrød, krystalviolet, brillant blå crisol, POPOP, fluorescein , eosin , acridinfarvestoffer (acridin orange, acridin gul), rhodaminer (rhodamin 6G, rhodamin B), Nile rød og mange andre.

Ansøgning

Ved fremstilling af maling og tekstilfarvning

Fluorescerende pigmenter tilsættes til maling , tuschpenne såvel som ved farvning af tekstiler , husholdningsartikler, smykker osv. for at opnå særligt lyse ("skrigende", "syre") farver med en øget spektral albedo i det ønskede bølgelængdeområde , nogle gange over 100 %. Denne effekt opnås på grund af det faktum, at fluorescerende pigmenter omdanner ultraviolet indeholdt i naturligt lys og i lyset af mange kunstige kilder (og for gule og røde pigmenter, den kortbølgelængde del af det synlige spektrum) til strålingen af ​​det ønskede rækkevidde, hvilket gør farven mere intens. En speciel slags fluorescerende tekstilpigmenter er optisk blå , som omdanner ultraviolet lys til blå stråling, som kompenserer for den naturlige gullige nuance af stoffet , og derved opnår effekten af ​​snehvid farve på tøj og sengetøj . Optisk blå bruges både til fabriksfarvning af tekstiler og til farveforfriskning under vask , i vaskepulver . Lignende pigmenter bruges til fremstilling af mange typer papir, herunder papir til daglig kontorbrug. I det er indholdet af pigment med blå som regel det højeste.

Fluorescerende farver, kombineret med " sort lys ", bruges ofte i design af diskoteker og natklubber . Brugen af ​​fluorescerende pigmenter i tatoveringsfarver praktiseres også .

I teknologi

Fluorescerende additiver tilsættes ofte til tekniske væsker, såsom frostvæske , for at gøre det lettere at finde utætheder fra enheden. I ultraviolet lys bliver pletter af en sådan væske meget tydeligt synlige. .

I offentlige forsyningsvirksomheder bruges fluorescein til at kontrollere tætheden og søge efter kølevæskelækager i varmenetværk, herunder indtrængen af ​​industrivand fra det til drikkevandsforsyningssystemet [8] [9] [10] [11] .

I biologi og medicin

I biokemi og molekylærbiologi er fluorescerende prober og farvestoffer blevet brugt til at visualisere individuelle komponenter i biologiske systemer. For eksempel hedder eosinofiler ( blodceller ) sådan, fordi de har en affinitet til eosin , hvilket gør det nemt at tælle i en blodprøve .

Inden for epidemiologi og kommunal hygiejne kan fluorescein bruges i epidemiologiske undersøgelser af tilfælde af tarminfektioner med vandtransmission , nemlig til at søge efter steder for forurening af reservoirer , grundvandsmagasiner , drikkevandsforsyningssystemer ved nedsivning af indholdet af afløbsbrønde , septiktanke , og kloaksystemer ind i dem [12] .

Lasere

Fluoroforer med høje kvanteudbytter og god fotoresistens kan bruges som aktive mediekomponenter i farvelasere.

I retsmedicin

Separate fluorescerende stoffer bruges i operationelle eftersøgningsaktiviteter (til at lave notater om penge, andre genstande i forbindelse med dokumentation af fakta om bestikkelse og afpresning. De kan også bruges i kemikaliefælder.

I hydrologi og økologi

Fluorescein blev brugt i 1877 til at bevise, at Donau og Rhinen var forbundet med underjordiske kanaler. [13] . Farvestoffet blev introduceret i Donaus farvande, og få timer senere fandt man en karakteristisk grøn fluorescens i en lille flod, der løber ud i Rhinen. I dag bruges fluorescein også som en specifik markør, der letter søgningen efter styrtede piloter i havet. Til dette er en ampul med et farvestof simpelthen brudt, som ved opløsning i vand danner en tydeligt synlig grøn plet af stor størrelse. Fluoroforer kan også bruges til at analysere miljøforurening (detektion af olielækager (oliefilm) i havene og oceanerne).

Se også

Noter

  1. ↑ Joseph R. Lakowicz. Principper for fluorescensspektroskopi . — 3. udg. - New York: Springer, 2006. - xxvi, 954 sider s. - 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 . Foredrag nr. 2. Fundamentals of luminescens (fortsat). . Hentet 7. januar 2020. Arkiveret fra originalen 10. januar 2020.
  3. ↑ Grundlæggende begreber og betydninger i fluorescensmikroskopi . stormoff.ru. Hentet 7. januar 2020. Arkiveret fra originalen 18. november 2019.
  4. ↑ Molecular Expressions Microscopy Primer: Specialiserede mikroskopiteknikker - Fluorescens - Grundlæggende begreber i fluorescens . mikro.magnet.fsu.edu. Hentet 7. januar 2020. Arkiveret fra originalen 18. januar 2020.
  5. ↑ Stokes skift i opløsninger og gasser. Uafhængighed af emissionsspektret fra absorptionsbølgelængden. Reglen om spejlsymmetri og undtagelser til den. . Hentet 11. september 2009. Arkiveret fra originalen 25. december 2009.
  6. ↑ Molekylære udtryk: Videnskab, optik og dig: lys og farve - kilder til synligt lys . mikro.magnet.fsu.edu. Hentet 7. januar 2020. Arkiveret fra originalen 11. marts 2019.
  7. ↑ Joseph R. Lakowicz. Principper for fluorescensspektroskopi / RJ Lakowicz. -NY: Springer Science, 2006. - 960 s.
  8. ↑ Ordre fra Den Russiske Føderations Gosstroy dateret 13. december 2000 nr. 285 "Om godkendelse af standardinstruktionerne for den tekniske drift af varmenetværk af offentlige varmeforsyningssystemer" Arkivkopi dateret 25. januar 2022 på Wayback Machine // punkt 6.134.
  9. ↑ Den giftige grønne flod skræmte Novgorodians arkivkopi dateret 25. januar 2022 på Wayback Machine // 10/01/2014 Rossiyskaya Gazeta.
  10. ↑ Vand i tre distrikter i Kazan kan blive grønt
  11. ↑ Dye vil opdage lækager i varmenetværkene i Izhevsk Arkiv kopi dateret 5. januar 2020 på Wayback Machine // 02/16/2018 Hjemmeside for IAU for administrationen af ​​Izhevsk.
  12. ↑ Khotko N. I., Dmitriev A. P. Vandfaktor ved overførsel af infektioner // Penza: PGU , 2002. - 232 s. UDC 616,9 - 036,2. - S. 50, 114-115, 190-191.
  13. ↑ Berlman IB. 1971. Håndbog i fluorescensspektre af aromatiske molekyler, 2. udg. Academic Press, New York.

Litteratur

Links

  Gå til Wikidata-elementet  Ordbøger og encyklopædier
 Glans, farve og udstråling af mineraler og sten
Skinne
Skinne
Renhed
Farve
Kategori