Fluorescenţă

Fluorescența sau fluorescența  este un proces fizic, un fel de luminescență . Fluorescența este de obicei numită tranziția radiativă a unei stări excitate de la cel mai scăzut nivel de vibrație singlet S 1 la starea fundamentală S 0 [1] . În cazul general, fluorescența este o tranziție radiativă permisă de spin între două stări de aceeași multiplicitate : între niveluri singlet sau niveluri triplet . Durata de viață tipică a unei astfel de stări excitate este 10 −11 −10 −6 s [2] .

Fluorescența ar trebui să fie distinsă de fosforescență  , o tranziție radiativă interzisă de spin între două stări de multiplicitate diferită. De exemplu, tranziția radiativă a unei stări de triplet excitat T 1 la starea fundamentală S 0 . Tranzițiile singlet-triplet au o interdicție mecanică cuantică, astfel încât durata de viață a stării excitate în timpul fosforescenței este de aproximativ 10 −3 −10 −2 s [3] .

Originea termenului

Termenul „fluorescență” provine de la numele mineralului fluorit , în care a fost descoperit pentru prima dată, și lat.  -escent  este un sufix care înseamnă acțiune slabă.

Istoria studiului

Fluorescența compușilor chininei a fost observată pentru prima dată de către fizicianul George Stokes în 1852.

Fundamente teoretice

Conform conceptelor de chimie cuantică , electronii din atomi sunt localizați la niveluri de energie . Distanța dintre nivelurile de energie dintr-o moleculă depinde de structura acesteia. Când o substanță este iradiată cu lumină, este posibilă tranziția electronilor între diferite niveluri de energie. Diferența de energie dintre nivelurile de energie și frecvența oscilațiilor luminii absorbite sunt legate între ele prin ecuația (postulatul II al lui Bohr):

După absorbția luminii, o parte din energia primită de sistem este cheltuită ca urmare a relaxării . O parte poate fi emisă sub forma unui foton de o anumită energie [4] .

Corelația dintre spectrele de absorbție și fluorescență

Spectrul de fluorescență este deplasat în raport cu spectrul de absorbție către lungimi de undă lungi. Acest fenomen a fost numit „ schimbarea Stokes ”. Cauza sa sunt procesele de relaxare nonradiative. Ca urmare, o parte din energia fotonului absorbit se pierde, iar fotonul emis are o energie mai mică și, în consecință, o lungime de undă mai mare [5] [6] .

Reprezentarea schematică a proceselor de emisie și absorbție a luminii. Diagrama lui Yablonsky

Schematic, procesele de absorbție a luminii și fluorescența sunt prezentate în diagrama Yablonsky.

În condiții normale, majoritatea moleculelor sunt în starea electronică fundamentală . Când lumina este absorbită, molecula intră într-o stare excitată . Când este excitat la cele mai înalte niveluri electronice și vibraționale, excesul de energie este consumat rapid, transferând fluoroforul la cel mai scăzut subnivel de vibrație al stării . Cu toate acestea, există și excepții: de exemplu, fluorescența azulenei poate apărea atât din stare, cât și din stare.

Randamentul cuantic al fluorescenței

Randamentul cuantic al fluorescenței arată cât de eficient este acest proces. Este definit ca raportul dintre numărul de fotoni emiși și absorbiți. Randamentul cuantic al fluorescenței poate fi calculat din formulă

unde  este numărul de fotoni emiși ca urmare a fluorescenței și  este numărul total de fotoni absorbiți. Cu cât randamentul cuantic al unui fluorofor este mai mare, cu atât fluorescența acestuia este mai intensă. Randamentul cuantic poate fi determinat și folosind diagrama Yablonsky simplificată [7] , unde și  sunt constantele de viteză ale dezactivării radiative și neradiative ale stării excitate.

Apoi, fracția de fluorofori care revin la starea fundamentală cu emisia unui foton și, prin urmare, randamentul cuantic:

Din ultima formulă rezultă că dacă , adică dacă rata tranziției neradiative este mult mai mică decât viteza tranziției radiative. Rețineți că randamentul cuantic este întotdeauna mai mic decât unitatea din cauza pierderilor Stokes .

Compuși fluorescenți

Multe substanțe organice sunt capabile de fluorescență, de obicei conținând un sistem de legături π conjugate. Cele mai cunoscute sunt chinină , verde de metil, albastru de metil, roșu fenol, violet cristal, crisol albastru strălucitor, POPOP, fluoresceină , eozina , coloranți acridină (portocaliu acridină, galben acridină), rodamine (rodamină 6G, rodamină B), roșu Nil și multe altele.

Aplicație

La fabricarea vopselelor și a vopselei textile

Pigmenții fluorescenți sunt adăugați la vopsele , pixuri , precum și la vopsirea textilelor , articolelor de uz casnic, bijuterii etc. pentru a obține culori deosebit de strălucitoare („țipete”, „acide”), cu un albedo spectral crescut în intervalul de lungimi de undă dorit. , uneori depășind 100 %. Acest efect se realizează datorită faptului că pigmenții fluorescenți transformă ultravioletele conținute în lumina naturală și în lumina multor surse artificiale (și pentru pigmenții galbeni și roșii, partea cu lungime de undă scurtă a spectrului vizibil) în radiația dorită. gamă, făcând culoarea mai intensă. Un tip special de pigmenți textile fluorescenți este albastrul optic , care transformă lumina ultravioletă în radiație albastră, care compensează nuanța naturală gălbuie a țesăturii , obținând astfel efectul de culoare albă ca zăpada a hainelor și a lenjeriei de pat . Albastrul optic este folosit atât pentru vopsirea din fabrică a țesăturilor, cât și pentru reîmprospătarea culorii în timpul spălării , în pudrele de spălat . Pigmenți similari sunt utilizați în producția de multe tipuri de hârtie, inclusiv hârtie pentru uz zilnic de birou. În ea, conținutul de pigment cu albastru, de regulă, este cel mai mare.

Culorile fluorescente, combinate cu „ lumina neagră ”, sunt adesea folosite în designul discotecilor și cluburilor de noapte . Se practică și utilizarea pigmenților fluorescenți în cernelurile pentru tatuaje .

În tehnologie

Aditivii fluorescenți sunt adesea adăugați la fluidele tehnice, cum ar fi antigelul , pentru a facilita găsirea scurgerilor din unitate. În lumina ultravioletă, petele dintr-un astfel de lichid devin foarte clar vizibile. .

În utilitățile publice, fluoresceina este utilizată pentru a verifica etanșeitatea și pentru a căuta scurgeri de lichid de răcire în rețelele de încălzire, inclusiv pătrunderea apei industriale din aceasta în sistemul de alimentare cu apă potabilă [8] [9] [10] [11] .

În biologie și medicină

În biochimie și biologie moleculară, sonde fluorescente și coloranți au fost folosiți pentru a vizualiza componentele individuale ale sistemelor biologice. De exemplu, eozinofilele ( celulele sanguine ) sunt numite astfel deoarece au o afinitate pentru eozină , ceea ce face ușor de numărat într- un test de sânge .

În epidemiologie și igiena comunală , fluoresceina poate fi utilizată în investigațiile epidemiologice ale cazurilor de infecții intestinale cu transmitere a apei , și anume, pentru căutarea locurilor de poluare a rezervoarelor , acviferelor , sistemelor de alimentare cu apă potabilă prin infiltrarea conținutului de canale , fose septice , și sisteme de canalizare în ele [12] .

Lasere

Fluoroforii cu randamente cuantice ridicate și fotorezistență bună pot fi utilizați ca componente medii active în laserele colorante.

În criminalistică

Substanțe fluorescente separate sunt utilizate în activitățile de căutare operațională (pentru a face notițe pe bani, alte elemente în cursul documentării faptelor de mită și extorcare. Pot fi utilizate și în capcane chimice.

În hidrologie și ecologie

Fluoresceina a fost folosită în 1877 pentru a demonstra că râurile Dunărea și Rinul erau conectate prin canale subterane. [13] . Colorantul a fost introdus în apele Dunării și câteva ore mai târziu a fost găsită o fluorescență verde caracteristică într-un mic râu care se varsă în Rin. Astăzi, fluoresceina este folosită și ca marker specific care facilitează căutarea piloților prăbușiți în ocean. Pentru aceasta, o fiolă cu un colorant este pur și simplu spartă, care, dizolvându-se în apă, formează o pată verde clar vizibilă de dimensiuni mari. Fluoroforii pot fi utilizați și pentru a analiza poluarea mediului (detecția scurgerilor de petrol (filme de ulei) în mări și oceane).

Vezi și

Note

  1. ↑ Joseph R. Lakowicz. Principiile spectroscopiei de fluorescență . — Ed. a 3-a. - New York: Springer, 2006. - xxvi, 954 pagini p. - 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 . Curs nr. 2. Fundamentele luminiscenței (continuare). . Preluat la 7 ianuarie 2020. Arhivat din original la 10 ianuarie 2020.
  3. ↑ Concepte și semnificații de bază în microscopia cu fluorescență . stormoff.ru. Preluat la 7 ianuarie 2020. Arhivat din original la 18 noiembrie 2019.
  4. ↑ Molecular Expressions Microscopy Primer: Specialized Microscopy Techniques - Fluorescence - Basic Concepts in Fluorescence . micro.magnet.fsu.edu. Preluat la 7 ianuarie 2020. Arhivat din original la 18 ianuarie 2020.
  5. ↑ Stokes se schimbă în soluții și gaze. Independenta spectrului de emisie fata de lungimea de unda de absorbtie. Regula simetriei oglinzii și excepțiile de la ea. . Consultat la 11 septembrie 2009. Arhivat din original pe 25 decembrie 2009.
  6. ↑ Molecular Expressions: Science, Optics, and You: Light and Color - Sources of Visible Light . micro.magnet.fsu.edu. Preluat la 7 ianuarie 2020. Arhivat din original la 11 martie 2019.
  7. ↑ Joseph R. Lakowicz. Principiile spectroscopiei de fluorescență / RJ Lakowicz. -NY: Springer Science, 2006. - 960 p.
  8. ↑ Ordinul Gosstroy al Federației Ruse din 13 decembrie 2000 nr. 285 „Cu privire la aprobarea instrucțiunilor standard pentru operarea tehnică a rețelelor de căldură ale sistemelor publice de alimentare cu căldură” Copie de arhivă din 25 ianuarie 2022 pe Wayback Machine // punctul 6.134.
  9. ↑ Râul verde otrăvitor a speriat copia din arhiva novgorodienilor din 25 ianuarie 2022 la Wayback Machine // 10/01/2014 Rossiyskaya Gazeta.
  10. ↑ Apa din trei districte din Kazan poate deveni verde
  11. ↑ Dye va detecta scurgeri în rețelele de încălzire ale Izhevsk Arhiva copie din 5 ianuarie 2020 la Wayback Machine // 16/02/2018 Site-ul web al IAU al Administrației din Izhevsk.
  12. ↑ Khotko N. I., Dmitriev A. P. Water factor în transmiterea infecțiilor // Penza: PGU , 2002. - 232 p. UDC 616,9 - 036,2. - S. 50, 114-115, 190-191.
  13. ↑ Berlman IB. 1971. Manual de spectre de fluorescență ale moleculelor aromatice, ed. a II-a. Academic Press, New York.

Literatură

Link -uri

  Accesați articolul Wikidata  Dicționare și enciclopedii
 Strălucirea, culoarea și strălucirea mineralelor și rocilor
Strălucire
Strălucire
Puritate
Culoare
Categorie