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[szerkesztés]

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[szerkesztés]

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[szerkesztés]

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[szerkesztés]

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[szerkesztés]

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[szerkesztés]

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[szerkesztés]

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[szerkesztés]

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[szerkesztés]

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[szerkesztés]

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[szerkesztés]

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[szerkesztés]

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

Jegyzetek[szerkesztés]

↑ 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.
↑ 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[szerkesztés]

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.

[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]