Fluorescēšana: definīcija, darbības princips un pielietojumi
Fluorescēšana ir gaismas izstarošana, ko veic noteiktas vielas, kad tās absorbē gaismu vai citu elektromagnētisko starojumu. Procesā viela vispirms uzņem enerģiju (eksitācija), pēc tam ātri atgriežas zemākā enerģijas stāvoklī un izstaro daļu uzņemtās enerģijas kā fotonu — redzamu gaismu. Fluorescēšana ir viens no luminiscences veidiem.
Kā tas darbojas
Uz molekulas absorbējot fotonu, elektronam tiek paaugstināts enerģijas līmenis (eksitēts stāvoklis). Pēc īsa laika (parasti pikosekundēs līdz nanosekundēs) elektrons atgriežas pamatstāvoklī un izstaro fotonu. Parasti izstarotā gaisma ir ar garāku viļņa garumu un mazāku enerģiju nekā absorbētā — šo atšķirību sauc par Stokes nobīdi. Vietās, kur viela absorbē ultravioleto gaismu (kas cilvēka acij nav redzama), bieži tiek izstarota redzama gaisma, kas rada iespaidīgus vizuālos efektus.
Galvenie rādītāji un fakti
- Laiks: fluorescences dzīvotspēja ir ļoti īsa (ns–ps), atšķirībā no fosforescences, kur izstarošana var turpināties sekundes vai stundas.
- Kvantitāte: fluorescences kvantitāte (quantum yield) norāda, cik liela daļa no absorbētajiem fotoniem tiek pārvērsta par izstarotajiem fotoniem.
- Spektrs: fluorefekta spektrs (absorbcijas un emisijas līknes) raksturo, ar kādiem viļņu garumiem viela absorbē un izstaro gaismu.
- Fotoblēkošanās (photobleaching): daži fluorofori ar laiku zaudē spēju fluorescēt, īpaši intensīvas gaismas iedarbībā.
- Kvēčināšana (quenching): dažādi faktori — skābuma līmenis (pH), oksidētāji, metāla joni vai temperatūra — var samazināt fluorescences intensitāti.
Atšķirība no fosforescences
Galvenā atšķirība ir laika mērogs un enerģijas pāreju mehānisms. Fluorescēšana notiek ātri pēc eksitācijas un apstājas gandrīz tūlīt pēc gaismas avota izslēgšanas. Fosforescencē eksitētie elektroni nonāk ilgstošākos (triplet) stāvokļos un var izstarošanu turpināt ilgu laiku pēc avota noņemšanas. Šo atšķirību nosaka intersystem crossing un citi kvantu mehānikas procesi.
Pielietojumi
Fluorescenci plaši izmanto gan pētniecībā, gan rūpniecībā un ikdienā:
- Mineraloģijā un gemoloģijā fluorescenci izmanto minerālu un dārgakmeņu identifikācijai un raksturošanai.
- Ķīmiskie sensori un fluorescences spektroskopija ļauj noteikt zemu koncentrāciju vielu, reaģējošus jonus vai noteiktas molekulārās izmaiņas.
- Krāsvielās un marķieru sistēmās fluorofores piešķir spilgtumu tekstilizstrādājumiem, drošības tintēm un diagnostikas reaģentiem.
- Fluorescences gaismas un LED tehnoloģijas izmanto fluorescējošus materiālus, lai pārveidotu UV vai zilās gaismas citās krāsās, uzlabojot apgaismojuma efektivitāti.
- Bioloģijā un medicīnā — fluorofores ļauj atzīmēt un vizualizēt šūnas, organellus un molekulas. Proteīnam vai citam komponentam var būt pievienota fluorescējoša krāsviela, kas ļauj zinātniekam ar mikroskopu vizuāli atrast konkrēto proteīnu.
- Tehnoloģijās: FRET (fluorescence resonance energy transfer) izmanto mijiedarbības un attāluma mērīšanai molekulāros pētījumos; flow cytometry izmanto šūnu analīzei.
- Forēnikā un viltoto dokumentu atklāšanā fluorescences metodes palīdz atklāt slēptus vai īpašus marķējumus.
Praktiski piemēri un materiāli
Kā fluorofori tiek izmantotas daudz un dažādas vielas: sintētiskās krāsvielas (piemēram, fluoresceīns, rhodamīns), organiskie un neorganiskie kompleksi, kā arī proteīni kā zaļā fluorescējošā olbaltumviela (GFP) un tās atvasinājumi. Laboratorijās bieži lieto lāzerus vai LED avotus noteiktam viļņu garumam, lai excitētu fluoroforus, un detektorus (fotomultiplikatorus vai CCD kameru), lai reģistrētu emisiju.
Drošība un ierobežojumi
Lai arī fluorescences metode ir ļoti jutīga, tai ir ierobežojumi: photobleaching samazina signālu ilgstošos mērījumos, fona autofluorescence var klāties no paraugiem un sarežģīt datu interpretāciju, bet ķīmiskie kvenchējoši faktori var izkropļot rezultātus. Turklāt excitācijai bieži nepieciešams UV vai intensīvs zils starojums — jāievēro drošības pasākumi, jo UV starojums var bojāt ādu un acis.
Kopsavilkumā, fluorescēšana ir ātra, jutīga un daudzveidīga parādība ar plašu pielietojumu spektru — no minerālu un dārgakmeņu analīzes līdz sarežģītām biomedicīnas metodēm un rūpnieciskām tehnoloģijām.
Endotēlija šūnas mikroskopā ar trim atsevišķiem kanāliem, kas iezīmē specifiskus šūnu komponentus.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir fluorescence?
A: Fluorescence ir gaisma, ko izdala noteiktas vielas, kad tās absorbē gaismu vai citu elektromagnētisko starojumu.
J: Kas notiek, kad viela fluorescē?
A: Kad viela fluorescē, tā vispirms absorbē enerģiju un tad izstaro gaismu.
Vai fluorescence turpinās arī pēc gaismas avota noņemšanas?
A: Nē, fluorescence pārtrauc, kad gaismas avots ir noņemts.
J: Vai fluorescence ir luminiscences veids?
A: Jā, fluorescence ir luminiscences veids.
J: Kāds ir fluorescences laikā izdalītās gaismas viļņa garums un enerģija salīdzinājumā ar absorbēto gaismu?
A: Vairumā gadījumu fluorescences laikā izdalītās gaismas viļņa garums un enerģija ir garāka un mazāka nekā absorbētās gaismas enerģija.
J: Kāds ir pārsteidzošas fluorescences piemērs?
A: Viens no pārsteidzošiem fluorescences veidiem ir tad, ja viela absorbē ultravioleto gaismu, ko cilvēka acs nevar saskatīt, bet izstaro redzamu gaismu.
J: Kurās jomās izmanto fluorescenci?
A: Fluorescenci izmanto daudzās jomās, piemēram, mineraloģijā, gemoloģijā, ķīmiskajos sensoros (fluorescences spektroskopijā), krāsvielās, bioloģiskajos detektoros un fluorescences gaismās.
