Fluoreszkálás

Nem tévesztendő össze a következővel: foszforeszkálás.

A fluoreszkálás egy fizikai jelenség, melynek során egy anyag elnyel (abszorbeál) különböző hullámhosszúságú elektromágneses sugárzásokat, és ennek hatására fényt bocsát ki a bejövő sugárzástól eltérő hullámhosszon.^[1] Ez a lumineszkálás egy formája. A legtöbb esetben a kibocsátott fény hullámhossza hosszabb, és így kisebb energiával rendelkezik, mint az elnyelt sugárzás. Abban az esetben, amikor az abszorbeált sugárzás erős, lehetséges, hogy egy elektron két fotont abszorbeál; ez az úgynevezett kétfotonos abszorpció okozhatja, hogy a kibocsátott fény rövidebb hullámhosszúságú lesz, mint az elnyelt sugárzásé.

A fluoreszkálás legfeltűnőbb példája, amikor az abszorbeálódó sugárzás ultraibolya tartományban van, és ezért ez nem látható, a kibocsátott fény pedig a látható tartományban van.

A fluoreszkálás jelenségét számos alkalmazásban hasznosítják (mineralógia, gemmológia, kémiai érzékelők, fluoreszkáló címkék, biológia érzékelők, fluoreszkáló lámpák stb.)

Felfedezése

Legkorábban Nicolás Monardes, spanyol orvos és botanikus írta le a fluoreszkálás jelenségét 1565-ben, amikor egy fafajta (texasi vesefa)^[2] áztatásakor megfigyelte.^[3] Egy, a fában lévő kémiai anyag, a matlanine felelős a jelenségért, amely a fában található flavonoidok oxidációjakor keletkezik.^[4] A jelenséget mások is megfigyelték és leírták:

1819-ben Edward D. Clarke
1922-ben René Just Haüy a fluoritokkal kapcsolatban.
1833-ban Sir David Brewster a klorofillel kapcsolatban.
1845-ben Sir John Herschel a kininnel kapcsolatban.

A fluoreszkálás szót George Gabriel Stokes alkotta 1852-ben, eredetileg angol nyelven: fluorescence. A szó az ásványi fluoritból ered, amelyet nyomokban tartalmazhat a divalens európium, egy, a kék fényt sugárzó fluoreszkáló aktivátor. Egy kísérlet során prizmát használta az ultraibolya sugárzás elválasztására a napfényből és akkor figyelte meg a kék fényt egy kinines etanol oldatban.^[5]^[6]

Fotokémiai magyarázat

Fluoreszkálás akkor keletkezik, amikor egy molekula, atom pályamenti elektronja alapállapotba kerül, miközben kibocsát egy fotont. Ez a jelenség akkor jön létre, miután valamilyen energia egy magasabb kvantumállapotot gerjeszt.

A gerjesztés:

$S_{0}+h\nu _{ex}\to S_{1}$

Fluoreszkáló kibocsátás:

$S_{1}\to S_{0}+h\nu _{em}$

itt a $h\nu$ a foton energiája, ahol h = Planck állandó és a $\nu$ = a fény frekvenciája. Az S₀ állapotot a fluoreszkáló molekula alapállapotának hívják, az S₁ az első (elektronikusan) gerjesztett állapot. Egy molekula gerjesztett állapotba több úton is eljuthat. A gerjesztett állapotból való kikerülés történhet egy másik molekulával történő fluoreszkáló hatás során. A molekuláris oxigén (O₂) igen hatékony előidézője a fluoreszkálásnak, a nem szokásos triplett állapota miatt. A fény abszorpció vagy más folyamat által gerjesztett molekulák energiát adnak át egy második „fényérzékennyé” tett molekulának, amely átkonvertálja ezt a gerjesztett állapotába és elkezd fluoreszkálni. Ez a folyamat játszódik le az úgynevezett világító rudaknál is különböző színekben.

Kvantum hozam

A kvantum hozam a fluoreszkálás folyamatának a hatékonyságát jelzi. Ez definíció szerint a kibocsátott fotonok (K) és az abszorbeált fotonok (A) aránya.

$\Phi ={\frac {K}{A}}$

A maximális hozam 1.0 (100%), ez azt jelenti, hogy minden abszorbeált foton kibocsátásra került. A 0.1 értékű hozam még fluoreszkálást jelent. Egy másik módja a kvantum hozam meghatározására a gerjesztett állapot gyengülésének/bomlásának a mértéke:

$\Phi ={\frac {{k}_{f}}{\sum _{i}{k}_{i}}}$

ahol ${k}_{f}$ a sugárzás spontán foton kibocsátásának aránya

és $\sum _{i}{k}_{i}$

az összes gerjesztett állapotbeli bomlás mértéke.

Más típusú bomlást okozó mechanizmusok is léteznek, melyeket „nem—sugárzó”-nak hívnak. Ha bármely okból változás következik be, akkor az hatással van a gerjesztett állapot időtartamára és a fluoreszkálás kvantum hozamára. A fluoreszkálás kvantum hozamát egy standardhoz viszonyítják. Az általánosan elfogadott standard a kinin szulfát sója kénsav oldatban.

Időtartam

A fluoreszkálás időtartama az az átlagos időtartam, melyben a molekula a gerjesztett állapotban tartózkodik, mielőtt fotonokat bocsát ki. Az összefüggés exponenciális jellegű:

$\left[S1\right]=\left[S1\right]_{0}e^{-\Gamma t}$

ahol $\left[S1\right]$ gerjesztett molekula koncentrációja t időben,

$\left[S1\right]_{0}$ a kezdeti koncentráció, és $\Gamma$ a bomlási sebesség vagy az inverz fluoreszkáló időtartam.

Számos sugárzó és nem-sugárzó folyamat befolyásolhatja a gerjesztett állapotot. Ebben az esetben a teljes bomlási sebesség a következő:

$\Gamma _{tot}=\Gamma _{rad}+\Gamma _{nrad}$

ahol $\Gamma _{tot}$ a teljes bomlási sebesség,

$\Gamma _{rad}$ a sugárzó komponens

$\Gamma _{nrad}$ a nem-sugárzó komponens

Az általánosan használt fluoreszkáló anyagoknál a tipikus gerjesztett állapot bomlási sebessége ultraibolyától a közel infravörös tartományig 0.5 és 20 nanoszekundum között van. A fluoreszkálás időtartama fontos paraméter több gyakorlati alkalmazásnál, mint például a fluoreszkáló rezonancia energia transzfernél.

Szabályok

Számos szabály létezik a fluoreszkálás folyamatára, ilyen például a Kasha-Vavilov szabály, amely a sugárzás hullámhosszát definiálja, vagy a Jablonski-diagram, mely a gerjesztett molekulák viselkedését mutatja be.

Alkalmazások

Számos alkalmazás ismert, amely felhasználja a fluoreszkálás jelenségét. Vannak természetes és mesterséges fluoreszkáló folyamatok. A természetben a mélytengeri állatok között vannak fluoreszkáló fajok, mint az úgynevezett zöldszem.

Világítás

Fluoreszkáló festmény UV-sugárzásban

Fluoreszkáló fényforrást először az 1939-es New York-i világkiállításon mutattak be. A közönséges fluoreszkáló (vagy fluoreszcens) lámpa egy gázkisüléses lámpa, ahol a lámpatesten belül vákuum van és kis mennyiségű higany. Az elektromos kisülés arra készteti a higanyatomokat, hogy ibolyántúli fényt sugározzanak. A búra be van vonva fluoreszkáló anyaggal, úgynevezett foszforral, amely elnyeli az ultraibolya sugárzást és látható fényt sugároz ki.^[7]

A fluoreszcens fényforrás energiatakarékosabb, mint a hagyományos izzólámpa. Mindemellett a hagyományos fluoreszcens fényforrás egyenetlen spektruma miatt az izzólámpától különböző színű fényt is sugározhat. A higanygőz sugárzásánál dominál a rövidhullámú UV 254 nanométernél és ehhez társul a látható fényből a kék (436 nm), a zöld (546 nm) és a sárga-narancs (579 nm). Ennek a három szín keverékéből fehér szín lesz. A modern kompakt fluoreszkáló lámpáknál is ezen alapuló trikromatikus foszfor adja a fehér színt. Az 1990-es évek közepén megjelent a fehér színű LED. Ebben a lámpában kék fényt bocsát ki a félvezető-chip, amely gerjeszti a foszfort, és a kibocsátott zöld és vörös színnel együtt fehér színt produkál.

Analitikai kémia

Több analitikai folyamatban a fluorométert használják, rendszerint egy gerjesztő hullámhossz és egy érzékelő hullámhossz tartományban. Az érzékenység eléri a fluoreszcens molekula koncentrációjának 1 trilliomod részét. A fluoreszcencia több hullámhosszon érzékelhető egy kromatográf érzékelővel, HPLC (Nagy teljesítményű folyadék kromatográfia) technikával. TLC (Vékonyréteges kromatográfia) lemezei is láthatóvá tehetők, ha az összetevők vagy egy színező reagens fluoreszkálóak. Leghatékonyabb a fluoreszkálás, amikor a Boltzmann-eloszlásban nagyszámú atom alacsony energiaszinten van, ilyenkor nagyobb valószínűséggel az alacsonyabb energiájú atomok gerjesztődnek, ezzel hatékonyabbá téve az analízist.

Méréstechnika

A fluoreszkálás elemzéséhez szükséges egy fényforrás, amely különböző hullámhosszúságban emittál fényt. Általában a megfelelő analízishez egy hullámhossz szükséges, amelyet egy szelektíven szűrő eszközön keresztül egy gerjesztő monokromátoron juttatnak át, és ez a választott hullámhosszúságú fény halad keresztül a minta cellán. Abszorpció és újra-emittálás után több hullámhossz keletkezik a Stokes-eltolás és különböző elektron átmenetek következtében. Ezek után áthalad egy emissziós monokromátoron, ahol szeparálódik a fény és alkalmas analízisre egy detektorral.^[8]

Biokémia és orvostudomány

Sejt képe fluoreszkáló markerrel

A fluoreszkálás jelenségét az orvostudományban a nem-destruktív vizsgálatoknál alkalmazzák. Vannak olyan molekulák, amelyek természetes módon fluoreszkálnak, ezeket autofluoreszkálóknak nevezik. Más esetben külsőleg teszik fluoreszkálóvá a molekulát vizsgálat céljából. Például a proteint fluoroforral fluoreszkálóvá tehetik, további analízis céljából.^[9] Spektrofluorométerrel számos értékes vizsgálatot lehet elvégezni. Ilyenek a sejt vizsgálatok, DNS analízis, DNS szekvenálás. Immunológiában jól használható a fluoreszkálás jelensége, ahol az antitestek jelenléte, mozgása követhető egy fluoreszkáló anyag segítségével. Bio-molekuláris kölcsönhatások megfigyelésére használják a FLIM (Fluoreszkálás időtartam -vizsgáló) módszert. A FRET (Fluoreszkáló rezonanciás energia transzfer) a protein kölcsönhatások megfigyelésre alkalmas eljárás.

Gemológia, mineralógia, geológia, törvényszéki alkalmazások

Ujjlenyomatok megjeleníthetők fluoreszkáló vegyületek segítségével, mint például ninhydrinnel. Vér és más anyagok is detektálhatók fluoreszkáló reagensek segítségével, főleg ott, ahol nem várható előfordulásuk. A törvényszéki gyakorlatban is használatosak a fluoreszkáló anyagok, melyek különböző fényben emittálnak rövidhullámú ultraibolya, vagy hosszúhullámú, vagy röntgensugár hatására. Számos drágakő és egyéb ásványi anyag fluoreszkál külső sugárzás hatására. Ásványi anyagoknál a szennyezések kimutatására is alkalmazható a sokféle aktivátorral gerjesztett fluoreszkálás. A nyers olaj a színek széles skáláján fluoreszkál. Ezt a jelenséget felhasználják az olajfúrásoknál, ahol a kis mennyiségű olaj kimutatására alkalmazható.

Szerves folyadékok

Szerves folyadékok - mint például a benzolban oldott antracén, vagy benzolban oldott toluol - ultraibolya vagy gamma sugárzás hatására fluoreszkálnak.

Jegyzetek

↑ Principles Of Instrumental Analysis F. James Holler, Douglas A. Skoog & Stanley R. Crouch 2006
↑ Latinul: Lignum nephriticum (Eysenhardtia texana)
↑ A Brief History of Fluorescence and Phosphorescence before the Emergence of Quantum Theory Bernard Valeur and Mrio N. Berberan-Santos J. Chem. Educ., 2011, 88 (6), pp 731–738 doi:10.1021/ed100182h
↑ Structure and Formation of the Fluorescent Compound of Lignum nephriticum A. Ulises Acua, Francisco Amat-Guerri, Purificacin Morcillo, Marta Liras and Benjamn Rodrguez Org. Lett., 2009, 11 (14), pp 3020–3023 doi:10.1021/ol901022g
↑ Stokes, G. G. (1852). „On the Change of Refrangibility of Light”. Philosophical Transactions of the Royal Society of London 142, 463–562. o. DOI:10.1098/rstl.1852.0022.
↑ Stokes, G. G. (1853). „On the Change of Refrangibility of Light. No. II”. Philosophical Transactions of the Royal Society of London 143, 385–396, at p. 387. o. DOI:10.1098/rstl.1853.0016. JSTOR 108570.
↑ name="How Fluorescent Lamps Work"
↑ Daniel C. Harris. Exploring chemical analysis. Macmillan (2004. május 1.). ISBN 9780716705710. Hozzáférés ideje: 2011. április 16.
↑ Joseph R. Lakowicz. Principles of fluorescence spectroscopy. Springer, xxvi. o. (2006). ISBN 9780387312781. Hozzáférés ideje: 2011. április 16.

További információk

Kémiaportál
Fizikaportál

[1] Principles Of Instrumental Analysis F. James Holler, Douglas A. Skoog & Stanley R. Crouch 2006

[2] Latinul: Lignum nephriticum (Eysenhardtia texana)

[3] A Brief History of Fluorescence and Phosphorescence before the Emergence of Quantum Theory Bernard Valeur and Mrio N. Berberan-Santos J. Chem. Educ., 2011, 88 (6), pp 731–738 doi:10.1021/ed100182h

[4] Structure and Formation of the Fluorescent Compound of Lignum nephriticum A. Ulises Acua, Francisco Amat-Guerri, Purificacin Morcillo, Marta Liras and Benjamn Rodrguez Org. Lett., 2009, 11 (14), pp 3020–3023 doi:10.1021/ol901022g

[5] Stokes, G. G. (1852). „On the Change of Refrangibility of Light”. Philosophical Transactions of the Royal Society of London 142, 463–562. o. DOI:10.1098/rstl.1852.0022.

[6] Stokes, G. G. (1853). „On the Change of Refrangibility of Light. No. II”. Philosophical Transactions of the Royal Society of London 143, 385–396, at p. 387. o. DOI:10.1098/rstl.1853.0016. JSTOR 108570.

[7] ="How Fluorescent Lamps Work"

[8] Daniel C. Harris. Exploring chemical analysis. Macmillan (2004. május 1.). ISBN 9780716705710. Hozzáférés ideje: 2011. április 16.

[9] Joseph R. Lakowicz. Principles of fluorescence spectroscopy. Springer, xxvi. o. (2006). ISBN 9780387312781. Hozzáférés ideje: 2011. április 16.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]