Fluorescencija: kas tai? Apibrėžimas, principas ir panaudojimas

Sužinokite, kas yra fluorescencija: apibrėžimas, veiksmo principas ir praktinis panaudojimas moksluose, diagnostikoje, pramonėje bei kasdienybėje.

Fluorescencija – tai šviesa, kurią skleidžia tam tikros medžiagos, kai jos sugeria šviesą ar kitą elektromagnetinę spinduliuotę. Pirmiausia medžiaga sugeria energiją, elektronai pereina į aukštesnį energijos lygį, o vėliau grįždami į žemesnį lygį atiduoda dalį energijos šviesos pavidalu. Pašalinus šviesos šaltinį, fluorescencija nutraukiama arba sumažėja per labai trumpą laiką. Tai viena iš liuminescencijos formų.

Daugeliu atvejų išskiriama šviesa yra ilgesnio bangos ilgio ir mažesnės energijos nei sugerta šviesa – tai vadinama Stokeso poslinkiu (Stokes shift). Dėl jo galima atskirti įėjimo (eksitacijos) ir išėjimo (emisinės) spektro sritis naudojant filtrus ar monochromatorius.

Viena iš labiausiai stebinančių fluorescencijos rūšių – kai medžiaga sugeria ultravioletinę šviesą, kurios žmogaus akis nemato, bet skleidžia matomą šviesą. Tokiu principu veikia ir daugelis fluorescencinių dažiklių bei tam tikri mineralai.

Fizikinis principas trumpai

Fluorescencija vyksta greitai: elektronas iš pradinio būvio absorbuoja fotoną, pereina į ekscituotą būvį, o vėliau grįžta į žemesnį energijos lygį išskirdamas fotoną. Šį procesą paprastai paaiškina Jablonskio diagrama – ji rodo elektronų ir vibracinių lygmenų perėjimus bei greitas nešviesines (termalines) relaxacijos fazes, kurios sumažina išleistos šviesos energiją lyginant su sugerta.

Specifinės savybės

• Kvantinė išeiga (quantum yield) – santykis tarp išleistų ir sugertų fotonų; svyruoja nuo 0 iki 1 ir priklauso nuo molekulės bei aplinkos sąlygų.
• Gyvenimo trukmė (lifetime) – laikas, per kurį ekscituotas būvis išgyvena prieš emisiją; fluorescencijos atveju dažniausiai nanosekundžių (10−9–10−7 s) diapazone.
• Stokeso poslinkis – emisijos maksimumas yra ilgesnio bangos ilgio nei absorbcijos maksimumas, todėl lengviau atskirti signalą nuo eksitacijos šaltinio.
• Fotoblukavimas – ilgalaikis ar intensyvus apšvietimas gali inaktyvuoti fluorescuojančias molekules; biologijoje tam naudojami antifade reagentai.
• Slopinimas (quenching) – deguonis, cheminiai reaktoriai, koncentracija ar terpės savybės gali sumažinti fluorescencijos intensyvumą.

Kuo fluorescencija skiriasi nuo fosforescencijos

Abu procesai priskiriami liuminescencijai, tačiau fluorescencija įvyksta labai greitai ir nutrūksta beveik iš karto pašalinus eksitacijos šaltinį. Fosforescencija reiškia lėtesnę emisiją (mikrosekundės–sekundės ir ilgiau), dažnai dėl tarpinio tripletinio būvio, todėl objektas gali švytėti dar kurį laiką po šviesos šaltinio išjungimo.

Panaudojimas

Fluorescencija pritaikoma daugelyje sričių:

• Mineralogija ir gemologija – tam tikri mineralai arba brangakmeniai fluorescuoja, kas padeda juos identifikuoti ar nustatyti kokybę.
• Analitinė chemija ir spektroskopija – fluorescencinė spektroskopija leidžia aptikti labai mažas medžiagų koncentracijas dėl didelio signalo ir mažo fono triukšmo.
• Dažikliai ir tekstilės pramonė – fluorescenciniai dažikliai suteikia ryškias spalvas arba savybes, matomas ultravioletinėje šviesoje.
• Biologiniai žymenys ir mikroskopija – prie baltymo ar kitų biologinių komponentų pritvirtinti fluorescenciniai dažikliai leidžia vizualiai rasti ir stebėti molekules mikroskopu. Taip pat naudojami metodai: konfokalinė mikroskopija, laikmečio (lifetime) vaizdavimas, FRET (energetinis perdavimas tarp žymenų) ir srauto citometrija.
• Genetiniai žymenys – fluorescuojantys baltymai (pvz., GFP ir jo variantai) leidžia sekti gyvus organizmus ir baltymų dinamiką be papildomų reagentų.
• Medicina ir diagnostika – imunofluorescencija, fluorescencinės diagnostikos reagentai, išskirtinai jautrūs testai ir vaizdavimo metodai.
• Forenzika – besišviečiančios medžiagos padeda rasti biologinius pėdsakus ar dokumentų klastojimus.
• Šviesos šaltiniai – fluorescencinės lempos ir tam tikri LED šviesos šaltiniai naudoja fosforus ir fluorescenciją, kad transformuotų UV arba mėlyną spinduliuotę į platesnio spektro matomą šviesą.
• Sensoriai ir aplinkos stebėjimas – fluorescenciniai sensoriai aptinka pH pokyčius, metalų jonus, teršalus ar biologinius signalus.

Instrumentai ir praktinės pastabos

Daugiausia naudojami šie komponentai: emisijos ir eksitacijos filtrai, monochromatoriai, lazeriai ar specialios lempos (Xe, Hg, LED), bei detektoriai (fotodaugintuvai, CCD kamerų sistemos). Renkantis fluorescencinius žymenis svarbu atsižvelgti į jų spektrus, kvantinę išeigą, atsparumą fotoredagavimui ir suderinamumą su turima įranga.

Saugumas ir apribojimai

Darbo su fluorescencinėmis medžiagomis metu reikia saugotis ultravioletinės šviesos poveikio akims ir odai. Biologiniuose eksperimentuose – vengti fotoblukavimo ir naudoti antifade medžiagas, taip pat atsižvelgti į fluoroforo cheminį stabilumą ir toksiškumą.

Apibendrinant, fluorescencija yra galingas ir universalus reiškinys mokslui, pramonei ir diagnostikai – nuo mineralų identifikavimo iki gyvų ląstelių vaizdavimo. Jos savybės (Stokeso poslinkis, kvantinė išeiga ir gyvenimo trukmė) nusako, kaip ir kur ji gali būti efektyviausiai pritaikyta.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra fluorescencija?

K: Kas nutinka, kai medžiaga fluorescuoja?

Klausimas: Ar fluorescencija išlieka ir pašalinus šviesos šaltinį?

K: Ar fluorescencija yra liuminescencijos forma?

K: Kaip fluorescencijos metu išsiskiriančios šviesos bangos ilgis ir energija skiriasi nuo sugertos šviesos?

K: Koks yra netikėto fluorescencijos tipo pavyzdys?

K: Kokiose srityse naudojama fluorescencija?

Paieška pagal raidę