Fluorescence: Emise světla po excitaci UV zářením

Luminiscence je děj, při kterém je molekula převedena ze základní molekulové hladiny S₀ do některé energeticky vyšší energetické hladiny (excitovaného stavu S₁) absorpcí příslušného kvanta energie (elektromagnetického záření, tepelné, chemické aj. energie). Molekula je v tomto excitovaném stavu nestabilní a rychle přebytečnou absorbovanou energii ztrácí následným přechodem do základního stavu.

Fluorescence je fyzikální jev, kdy dochází k vyzařování světla látkou, která předtím pohltila elektromagnetické záření. Emise světla vzniká v polovodičových diodách rekombinací elektronů a děr. Látka absorbcí elektromagnetického záření vstoupí do energeticky bohatšího stavu, z něhož se následně navrací do základního stavu pomocí zářivých přechodů s uvolněním fotonu. Mechanismus vzniku fluorescence je dán schopností látky pohlcovat budící elektromagnetické záření a schopností nashromážděnou energii následně vyzářit v podobě charakteristického emisního záření.

Podle délky tzv. dosvitu (dohasínání) excitovaného záření po ukončení působení absorpce primárního záření dělíme luminiscenci na fluorescenci (doba dosvitu 10¯⁶ - 10¯⁴ s), fosforescenci (10¯³ - 10¯² s) a zpožděnou fluorescenci (> 10¯²s).

Mechanismus fluorescence

Elektrony v obalech fluoroforů jsou schopny absorbovat foton a tím zvýšit svou energii. Po chvíli však část této nové energie vyzáří opět ve formě fotonu, ale s nižší energií. Energie se totiž zbavují i tzv. nezářivými přechody, kdy se část energie dostává do nižších excitovaných stavů (postupně až na stav S1). Při přechodu ze stavu S1 do základního S0 jsou nezářivé přechody pomalejší a může zde již také docházet k fluorescenci.

Molekula v základním stavu může absorbovat elektromagnetické záření, čímž dojde k excitaci atomu (tj. k přechodu elektronu z orbitalu o nižší energii do nejbližšího neobsazeného orbitalu o vyšší energii). Pro naše účely jsou důležitější deaktivační procesy, při nichž dochází k vyzáření světelného kvanta.

Čtěte také: Územní plánování a ÚSES

iii.) emise fluorescenčního záření přechodem valenčních elektronů z 1. excitovaného stavu S₁ zpět na různé vibrační hladiny stavu základního S₀, přičemž dochází k vyzáření energie ve formě emitovaného fluorescenčního záření. Díky částečné nezářivé de-excitaci molekuly platí podle Stokesova zákona pro vlnovou délku fotoluminiscenční emise při fotoluminiscenci, že je větší nebo rovna vlnové délce excitačního záření (λem ≥ λex).

Většina absorbujících i emitujících molekul se nachází v rovnovážném vibračním stavu, přičemž vibrační struktura základního i excitovaného stavu mají stejnou strukturu. Po absorpci přechází elektron z rovnovážné vibrační hladiny stavu S₀ na vyšší vibrační hladinu stavu S₁, poté dochází k rychlé vibrační relaxaci na rovnovážnou vibrační hladinu excitovaného stavu S₁ (v čase 10¯¹² - 10¯¹³ s) a teprve poté následuje zářivý přechod na vyšší vibrační hladinu stavu S₀ a další vibrační relaxace na rovnovážnou vibrační hladinu stavu S₀. Rozdílu v energiích mezi maximy absorpčního a emisního pásu se říká Stokesův posuv.

Je-li molekulou vyzářena veškerá absorbovaná energie, má fluorescence stejnou vlnovou délku jako absorbované záření (tzv. rezonanční fluorescence). U složitějších molekul, zvláště v kapalných roztocích, dochází také k nezářivým deaktivacím, jež jsou spojeny s vnitřní či vnější konverzí. V případě nezářivé deexcitace má emitované záření větší vlnovou délku, než je vlnová délka excitačního záření.

Typy fluorescence

• Fluorescence: Pozorujeme během buzení a po jeho vypnutí prakticky ihned mizí (doba dohasínání je obvykle řádově 10¯⁸ s). Fluorescence je tak spinově dovolený zářivý přechod, obvykle z rovnovážné vibrační hladiny stavu S₁ do některé z vibračních hladin základního stavu S₀.
• Fosforescence: U fosforescence se při emisi záření uskutečňuje přechod z excitovaného elektronového stavu na metastabilní hladinu. Fosforescence má delší dobu dohasínání než fluorescence (>>10¯⁸ s) a obvykle ji nelze pozorovat v roztocích při pokojové teplotě. Fosforescence je zářivý přechod z vyššího (T₁) do energeticky nižšího stavu o rozdílné multiplicitě (S₀).
• Zpožděná fluorescence: Pro zpožděnou fluorescenci je typický zářivý přechod z téhož singletového stavu (S₁) jako při fluorescenci, ale s delší dobou dosvitu, která je dána dobou setrvání molekuly v metastabilním tripletovém stavu. Zpožděná fluorescence je zářivý přechod z téhož singletového stavu (S₁) jako při fluorescenci, ale s delší dobou dohasínání danou časem, po který je molekula v metastabilním tripletovém stavu. Doba dohasínání zpožděné fluorescence je přibližně rovna době dohasínání fosforescence měřené za stejných podmínek. Emisní spektrum zpožděné fluorescence je totožné s emisním spektrem okamžité fluorescence.

Spektroskopie fluorescence

Spektroskopie se zabývá vznikem a vlastnostmi spekter. Je to metoda založená na vzájemném působení elektromagnetického záření a zkoumané látky, při kterém dochází k výměně energie (prosvítíme-li vzorek zářením o známé intenzitě, zjistíme, že intenzita prošlého světla je jiná - to je právě způsobeno interakcí záření se vzorkem). Zkoumaná látka může záření pohlcovat nebo vyzařovat, spektroskopie pak měří emise a absorpce různých vlnových délek viditelného i neviditelného záření.

Fluorescenční spektrální analýza využívá toho, že každá látka emituje určité vlnové délky jinak. Emisní spektrum vyjadřuje závislost intenzity fluorescence na vlnové délce při konstantní vlnové délce budícího záření. Každá látka je charakterizována dvěma typy spekter - excitačním a emisním spektrem. Excitační spektrum zachycuje relativní účinnost různých vlnových délek excitujícícho záření. Jedná se tedy o závislost intenzity fluorescence na vlnové délce excitujícího záření měřené při konstantní vlnové délce fluorescence.

Čtěte také: Vliv člověka a kvalita ovzduší

Fluorimetrické metody mohou být přímé a nepřímé. Metody přímé využívají vlastní fluorescence analytů (organické látky). Intenzivní fluorescenci vykazují některé aromatické sloučeniny (polyaromatické uhlovodíky nebo heterocykly) nazývané fluorofory nebo fluorescenční barviva, což je využíváno pro jejich stopové a ultrastopové stanovení. Řada i poměrně složitých organických molekul nefluoreskuje, což je významné pro vysokou selektivitu fluorimetrických metod.

Mezi analyticky významné luminiscenční metody patří především metody fotoluminiscenční (molekulové fluorimetrie) a chemiluminiscenční. Fluorescenční spektroskopie je pro svou citlivost velmi perspektivní postup využívaný v celé řadě oborů. Spektrofluorimetrická detekce je často využívaná v zapojení k průtokovému systému, například sekvenční injekční analýzy.

Přístrojové vybavení je obdobné jako u molekulární spektrofotometre. Jsou zde však vesměs dva monochromátory (jeden pro excitační spektrum a druhý pro emisní spektrum). Tok excitačního záření svírá se svazkem emisního záření určitý úhel (obvykle 45° nebo 90°). Absorbujícím prostředím je obvykle křemenná kyveta a detektorem fotonásobič.

Využití fluorescence

Fluorescence nachází velice široké uplatnění. Asi nejznámější využití fluorescenčních látek je v osvětlovací technice, například úsporné zářivky typicky využívají fluorescenci. Pro kontrolní účely se využívají speciální fluorescenční barviva pro tisk cenin, bankovek, důležitých dokumentů. Voděrozpustná barviva obecně mají využití širšího rozsahu - ve velkém měřítku mohou být využívána k hydrogeologickému průzkumu podzemních vod a ke sledování jejich toků.

Opticky zjasňující prostředky (OZP), které jsou dnes prakticky všudypřítomné, nacházejí svůj původ také v rostlinné říši. Fluorescenční barviva nacházejí široká uplatnění v barvení biologických preparátů, při zkoumání vzorků tkání pod fluorescenčním mikroskopem. Pro studium buňěčných dějů na nanoúrovni se používají molekuly fluorescenčně značených peptidů, enzymů a dalších látek důležitých pro činnost buňky.

Čtěte také: Životní prostředí a hliníkový odpad

Využití fluorescence v mikroskopii se stalo základem právě fluorescenční mikroskopie, která nachází široké uplatnění zejména v medicíně a v oblasti přírodních věd.

Zhášení fluorescence

Charakteristické je teplotní zhášení luminiscence, tj. bimolekulární procesy, které snižují kvantový výtěžek fluorescence, nicméně fluorescenční spektrum zůstává zachováno. Jedná se o tzv. zhášení fluorescence. Srážkové (dynamické) zhášení nastává, když je fluorofor v excitovaném stavu deaktivován (tj. navrací se nezářivě do základního stavu) při srážce s molekulou zhášedla. Molekuly nejsou při tomto procesu chemicky změněny na rozdíl od statického zhášení, kdy se po kontaktu fluoroforu a zhášedla vytváří nefluorescenční komplex.

Rozdíl mezi fluorescencí a fosforescencí

Fosforescence je jevem příbuzným k fluorescenci. Hlavním kritériem, kterým se od ní odlišuje, je délka vyzařování. Zářivým přechodem z metastabilního stavu do základního stavu se uvolní zbytková energie v podobě světla.

V případě fluorescence je míč v nestabilní poloze (excitovaný stav), z které okamžitě spadne zpět do údolí (základní stav). Fosforescenční látky jsou prakticky vždy pevné; rigidní krystalická mřížka umožňuje snadnější konzervaci excitační energie v metastabilních stavech.

tags: #po #jeho #excitaci #uv #zarenim #dochazi

Oblíbené příspěvky:

• Leonardo DiCaprio a klima
• Ubytování v Jizerských horách: Antonínov
• Instalace kruhového sifonu
• Jak funguje odpadní systém v karavanu?
• Odpadová energetika v ČR