Введение

флуоресценции люминисценция краситель поляризация

Время жизни электронно-возбужденного состояния молекул 10 -8 -10 -9 с. После этого молекула возвращается в исходное состояние, израсходовав дополнительную энергию безизлучательным образом на колебательные движения ядер и поступательные движения соседних молекул, т.е. растратив ее в виде тепла. Но эта энергия также может выделиться в виде излученного фотона. Это явление называют люминесценцией. В зависимости от способа возбуждения молекулы - светом, электрической энергией, химическими реакциями, нагреванием, и т.д. - различают фото-, электро-, хемо-, или термолюминесценцию. Нас больше интересует фотолюминесценция, обычно называемая флуоресценцией.

Законы флуоресценции

Спектром флуоресценции называют зависимость интенсивности излученного света от энергии фотонов: I фл = f (h) или F(). Но обычно в видимой и ультрафиолетовой области строят зависимость интенсивности флуоресцентного света от длины волны:

флуоресценция люминисценция краситель поляризация

I фл = f().

По закону Стокса , спектр флуоресценции смещен в длинноволновую область по сравнению со спектром поглощения . Это смещение называется стоксовским сдвигом. Оно отражает потерю части энергии возбуждения вследствие теплового рассеяния. Но нередко спектры флуоресценции частично перекрываются со спектрами поглощения света (и со спектрами возбуждения флуоресценции). В области перекрытия, называемой антистоксовской (Рис. 1), энергия излученных фотонов больше энергии поглощенных квантов. Дополнительная энергия в данном случае берется за счет колебательной энергии молекул, когда в результате излучения происходит переход на более низкий колебательный подуровень, чем тот, с которого происходило поглощение фотона (Рис. 2).

Рис. 1.

Правило Каша гласит, что в растворах излучательные переходы происходят, как правило, с нижних колебательных подуровней синглетных или триплетных возбужденных уровней. Это происходит потому, что за время жизни возбужденного состояния 10 -8 -10 -9 с успевают осуществиться все колебательно-вращательные переходы (их типичная длительность 10 -13 -10 -12 с). Можно сказать, что к моменту испускания фотона молекула «забывает», на какой подуровень она была возбуждена. Поэтому спектр флуоресценции не зависит от длины волны возбуждающего света .

Рис. 2. Схемы переходов между электронно-колебательными при стоксовой (а) и антистоксовой (б) флуоресценции, когда в результате перехода на более низкий колебательный подуровень энергия излученного кванта выше энергии поглощенного кванта

По правилу Лёвшина , спектры флуоресценции, построенные в шкале частот (энергий фотонов, зеркально-симметричны относительно длинноволновой полосе поглощения. Это связано с тем, что расстояния между колебательными подуровнями и вероятности переходов на них у молекул в возбужденном состоянии сходны с таковыми в основном состоянии. Причина этого в том, что за время электронных переходов порядка 10 -15 с положения ядер не успевают измениться, так как типичные периоды их колебаний на два-три порядка дольше - порядка 10 -13 -10 -12 с. Поэтому по принципу Франка-Кондона поглощение и испускание фотонов обусловлено одними и теми же колебательными подуровнями.

Квантовым выходом флуоресценции называется отношение числа излученных квантов к числу поглощенных:

= n фл /n погл

Величина 0 < < 1, потому что кроме испускания фотонов, есть и другие пути утилизации энергии возбуждения: она может быть передана другим молекулам, расходоваться в химических реакциях или рассеваться в виде тепла.

В соответствии с законом Вавилова , в стоксовой области квантовый выход флуоресценции сложных молекул в растворах не зависит от длины волны возбуждающего света.

Интенсивность флуоресценции разбавленных растворов пропорциональна концентрации флуорохромов. Действительно, в разбавленных растворах с низкой оптической плотностью D = cl < 0,05

I фл = K I погл = K I 0 (1-Т) = K I 0 (1 -10 -D ) 2,3 k I 0 D,

где k - доля флуоресцентного излучения, попадающего в фотоприемник. Это позволяет по флуоресценции определять количество флуорохрома и его изменения при различных воздействиях. Для количественного измерения концентрации флуорохрома используют калибровочную кривую:

c = c станд (I фл /I станд ),

где индекс «станд» относится к стандартному калибровочному раствору.

|
люминесценция в медицине, что такое люминесценция
Люминесце́нция (от лат. lumen, род. падеж luminis - свет и -escent - суффикс, означающий слабое действие) - нетепловое свечение вещества, происходящее после поглощения им энергии возбуждения. Впервые люминесценция была описана в XVIII веке.

Первоначально явление люминесценции использовалось при изготовлении светящихся красок и световых составов на основе так называемых фосфóров, для нанесения на шкалы приборов, предназначенных для использования в темноте. Особого внимания в СССР люминесценция не привлекала вплоть до 1948 года, когда советский учёный С. И. Вавилов на сессии Верховного совета предложил начать изготовление экономичных люминесцентных ламп и использовать люминесценцию в анализе химических веществ. быту явление люминесценции используется чаще всего в люминесцентных лампах «дневного света» и электронно-лучевых трубках кинескопов. На использовании явления люминесценции основано явление усиления света, экспериментально подтверждённое работами В. А. Фабриканта и лежащее в основе научно-технического направления квантовой электроники, конкретно находящее своё применение в усилителях света и генераторах стимулированного излучения (лазерах).

• 1 Общая характеристика
• 2 Типы люминесценции
• 3 Спектры люминесценции
  • 3.1 Принцип Франка - Кондона
  • 3.2 Правило Стокса - Ломмеля
  • 3.3 Правило Каши
  • 3.4 Правило зеркальной симметрии Левшина
• 4 Выход люминесценции
• 5 Тушение люминесценции
• 6 См. также
• 7 Литература
• 8 Ссылки
• 9 Примечания

Общая характеристика

«Будем называть люминесценцией избыток над температурным излучением тела в том случае, если это избыточное излучение обладает конечной длительностью примерно 10−10 секунд и больше». Таково каноническое определение люминесценции, данное русским учёным С. И. Вавиловым в 1948 году. Это значит, что яркость люминесцирующего объекта в спектральном диапазоне волн его излучения существенно больше, чем яркость абсолютно чёрного тела в этом же спектральном диапазоне, имеющего ту же температуру, что и люминесцирующее тело.

Первая часть определения позволяет отличить люминесценцию от теплового излучения, что особенно важно при высоких температурах, когда термоизлучение приобретает большую интенсивность. Важной особенностью люминесценции является то, что она способна проявляться при значительно более низких температурах, так как не использует тепловую энергию излучающей системы. За это люминесценцию часто называют «холодным свечением». Критерий длительности, введённый Вавиловым, позволяет отделить люминесценцию от других видов нетеплового излучения: рассеяния и отражения света, комбинационного рассеяния, излучения Черенкова. Длительность их меньше периода колебания световой волны (то есть <10−10 c).

Физическая природа люминесценции состоит в излучательных переходах электронов атомов или молекул из возбуждённого состояния в основное. При этом причиной первоначального их возбуждения могут служить различные факторы: внешнее излучение, температура, химические реакции и др.

Вещества, имеющие делокализованные электроны (сопряжённые системы), обладают самой сильной люминесценцией. Антрацен, нафталин, белки, содержащие ароматические аминокислоты и некоторые простетические группы, многие пигменты растений и в частности хлорофилл, а также ряд лекарственных препаратов обладают ярко выраженной способностью к люминесценции. Органические вещества, способные давать люминесцирующие комплексы со слабо люминесцентными неорганическими соединениями, часто используются в люминесцентном анализе. Так, в люминесцентной титриметрии часто применяется вещество флуоресцеин.

Первоначально понятие люминесценция относилось только к видимому свету. настоящее время оно применяется к излучению в инфракрасном, видимом, ультрафиолетовом и рентгеновском диапазонах (см. шкала электромагнитных волн).

Многие формы природной люминесценции были известны людям очень давно. Например, свечение насекомых (светлячки), свечение морских рыб и планктона, полярные сияния, свечение минералов, гниющего дерева и других разлагающихся органических веществ. настоящее время к природным формам прибавилось много искусственных способов возбуждения люминесценции. Твёрдые и жидкие вещества, способные люминесцировать, называют люминофорами (от лат. lumen - свет и др.-греч. phoros - несущий).

Чтобы вещество было способно люминесцировать, его спектры должны иметь дискретный характер, то есть его энергетические уровни должны быть разделены зонами запрещённых энергий. Поэтому металлы в твёрдом и жидком состоянии, обладающие непрерывным энергетическим спектром, не дают люминесценции. Энергия возбуждения в металлах непрерывным образом переходит в тепло. И лишь в коротковолновом диапазоне металлы могут испытывать рентгеновскую флуоресценцию, то есть под действием рентгеновского излучения испускать вторичные Х-лучи.

Типы люминесценции

Люминесцентное свечение тел принято делить на следующие виды:

• Фотолюминесценция - свечение под действием света (видимого и УФ-диапазона). Она, в свою очередь, делится на
  • флуоресценцию (время жизни 10−9−10−6 с);
  • фосфоресценцию (10−3−10 с);
• Хемилюминесценция - свечение, использующее энергию химических реакций;
• Катодолюминесценция - вызвана облучением быстрыми электронами (катодными лучами);
• Сонолюминесценция - люминесценция, вызванная звуком высокой частоты;
• Радиолюминесценция - при возбуждении вещества ионизирующим излучением;
• Триболюминесценция - люминесценция, возникающая при растирании, раздавливании или раскалывании люминофоров. Триболюминесценция вызывается электрическим разрядами, происходящими между образовавшимися наэлектризованными частями - свет разряда вызывает фотолюминесценцию люминофора.
• Биолюминесценция - способность живых организмов светиться, достигаемая самостоятельно или с помощью симбионтов.
• Электролюминесценция- возникает при пропускании электрического тока через определённые типы люминофоров.
• Кандолюминесценция - калильное свечение.
• Термолюминесценция - люминесцентное свечение, возникающее в процессе нагревания вещества. научной литературе часто используется термин Термостимулированная люминесценция, сокращенно ТСЛ, что одно и то же.

В настоящее время наиболее изучена фотолюминесценция.

У твёрдых тел различают три вида люминесценции:

• мономолекулярная люминесценция - акты возбуждения и испускания света происходят в пределах одного атома или молекулы;
• метастабильная люминесценция - акты возбуждения и испускания света происходят в пределах одного атома или молекулы, но с участием метастабильного состояния;
• рекомбинационная люминесценция - акты возбуждения и испускания света происходят в разных местах.

Спектры люминесценции

Спектром люминесценции называют зависимость интенсивности люминесцентного излучения от длины волны испускаемого света. Наиболее простые - атомные спектры, в которых указанная выше зависимость определяется только электронным строением атома. Спектры молекул гораздо более сложные вследствие того, что в молекуле реализуются различные деформационные и валентные колебания. При охлаждении до сверхнизких температур сплошные спектры люминесценции органических соединений, растворенных в определённом растворителе, превращаются в квазилинейчатые. Это явление получило название эффекта Шпольского. Это ведёт к снижению предела обнаружения и повышению избирательности определений, расширению числа элементов, которые можно определять люминесцентным методом анализа.

Принцип Франка - Кондона

Часть электронной энергии при поглощении и испускании света должна расходоваться на увеличение колебаний структуры, превращаться в тепло. Явление наблюдается в результате резкого изменения градиента электронной энергии около ядер при возбуждении и релаксации.

Правило Стокса - Ломмеля

Спектр люминесценции, как правило, сдвинут относительно спектра поглощения в сторону длинных волн. Данное правило принято объяснять потерей некоторой части поглощённой энергии на тепловое движение молекул. Существует, однако, антистоксовский люминофор, излучающий более коротковолновое излучение, чем падающее. Как правило, одно и то же вещество способно испускать излучение как в стоксовой, так и в антистоксовой областях спектра относительно частоты возбуждающего люминесценцию излучения.

Правило Каши

Независимо от способа возбуждения и длины волны возбуждающего света спектр люминесценции остаётся неизменным при данной температуре. Поскольку испускание квантов люминесценции всегда происходит с низшего электронно-возбуждённого уровня молекулы, то спектр люминесценции всегда будет одним и тем же независимо от того, на какой энергетический уровень попал электрон в результате поглощения фотона. Данное правило справедливо только в случае использования одной и той же возбуждаемой среды, системы регистрации излучения люминесценции. Множество разрешённых энергетических уровней в атоме/молекуле, а также множество длин волн источников возбуждения люминесценции позволяет для используемой среды получать множество спектров люминесценции в разных областях спектра, не повторяющих друг друга.

Правило зеркальной симметрии Левшина

Спектральные линии испускания и поглощения в координатах частоты являются взаимным зеркальным отражением. Положение оси симметрии показывает энергию чисто электронного перехода. Данным свойством обладают в основном жидкие люминофоры; исследования последних лет показали, что оно может быть справедливо и для сред в иных агрегатных состояниях.

Выход люминесценции

Выход - одна из важнейших характеристик люминесценции. Выделяют квантовый выход и энергетический выход. Под квантовым выходом понимают величину, показывающую отношение среднего числа излучённых квантов к числу поглощённых:

• - число излучённых квантов,
• - число поглощённых квантов.

Вавиловым было показано, что квантовый выход в растворах не зависит от длины волны возбуждающего света. Это связано с огромной скоростью колебательной релаксации, в ходе которой возбуждённая молекула передаёт избыток энергии молекулам растворителя.

Энергетический выход - отношение энергии излучённых квантов к энергии поглощённых:

где - частота излучения. Энергетический выход с ростом длины волны возбуждающего света сначала растёт пропорционально длине волны возбуждающего её света, затем остаётся постоянным и после некоторой граничной длины волны резко падает вниз (закон Вавилова).

Тушение люминесценции

Отличие выхода люминесценции от единицы обусловлено т. н. процессами тушения. Различают концентрационное, внутреннее, температурное, внешнее статическое и динамическое тушение.

Внутреннее тушение обусловлено безызлучательными переходами внутренней конверсии и колебательной релаксации. Наиболее ярко оно проявляется в симметричных структурах с большим числом сопряжённых связей, конформационно нежёстких структурах.

Температурное тушение является разновидностью внутреннего. Под влиянием температуры способность молекулы деформироваться растёт, и, как следствие, растёт вероятность безызлучательных переходов.

Внешнее статическое тушение основано на взаимодействии люминесцирующего соединения с другой молекулой и образованием неизлучающего продукта.

Динамическое тушение наблюдается, когда возбуждённая молекула люминофора вступает в постороннюю реакцию и теряет свои свойства.

Концентрационное тушение - результат поглощения молекулами вещества собственного излучения.

См. также

• Флуоресценция
• Фосфоресценция
• Биолюминесценция
• Хемилюминесценция
• Сонолюминесценция
• Электрофосфоресценция
• Люминоскоп
• Термолюминесценция

Литература

• Шпольский Е. В. Атомная физика (в 2-х тт.). - М.: Наука, 1984.
• Ландсберг Г. С. Оптика. - 6-е изд., стереот. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 647 с.
• Лакович Дж. Основы флуоресцентной спектроскопии. - М.: Мир, 1986. - 496 с.
• Harvey D. Modern Analytical Chemistry. - Boston, 2000. - 798 p.
• Столяров К. П., Григорьев Н. Н. Введение в люминесцентный анализ неорганических веществ. - Л., 1967. - 364 с.
• Захаров И. А., Тимофеев В. Н. Люминесцентные методы анализа. - Л., 1978. - 95 с.

Ссылки

• Luminosity on Scienceworld

Примечания

1. Ландсберг Г. С. Оптика. - 6-е изд., стереот. - М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. - 848 с.

люминесценция, люминесценция в медицине, что такое люминесценция, шеелит люминесценция

Люминесценция Информацию О

Фотопроцессы в биологических системах сопровождаются возникновением электронно-возбужденных состояний, характеризующихся определенной энергией, временем жизни, структурными свойствами.

Полная энергия состояния молекулы Е складывается из энергии электронного возбуждения Ее, колебательной энергии Еv и вращательной энергии Er. Таким образом, при поглощении кванта света молекулой полное изменение энергии можно представить в следующем виде: ашню = дельта Ее + дельта Еv + дельта Er . Энергия вращательных квантов меньше, чем колебательных, а их энергия, в свою очередь, меньше энергии электронных (Er 10 в10 Гц, Еv 10 в 13 Гц, Ее 10 в 18 Гц).

Возможные электронные переходы и энергетические состояния молекулы обычно представляются в виде схемы уровней энергии (Яблонского), где каждый электронный уровень расщепляется на ряд колебательных подуровней, а каждый колебательный - на ряд вращательных подуровней (рис. 1)

При поглощении кванта света молекулой осуществляется переход с самого нижнего колебательного подуровня основного состояния (комнатная температура) на возбужденные уровни S1* и S2*, характеризующиеся колебательными и вращательными подуровнями. В молекулах большинства соединений при возбуждении электронных состояний, расположенных выше S1*, происходит быстрая внутренняя конверсия (с временами порядка 10 в -13 с) за счет перехода с нижнего колебательного подуровня верхнего состояния S2* на верхний колебательный подуровень нижнего состояния S1* с последующей релаксацией (порядок 10 в -12) на самый нижний колебательный подуровень возбужденного состояния S1*. Это означает, что в какое бы возбужденное состояние ни попала молекула (например, в состояние S2*), в течение 10 в -13 - 10 в -12 с она перейдет на нижний колебательный подуровень первого электронного состояния S1*. Именно с этого уровня при переходе на любой колебательно-вращательный подуровень основного состояния S0 и происходит излучение - флуоресценция.

Отсюда следует, что спектр флуоресценции I=f(лямбда), т.е. зависимость интенсивности флуоресценции от длины волны и квантовый выход флуоресценции фи=число квантов фл/число погл квантов не зависят от длины волны возбуждающего света. Независимость спектра и квантового выхода флуоресценции от энергии поглощенного молекулой кванта называется законом Вавилова.

Поскольку энергия поглощенного кванта частично растрачивается на тепловые колебания, энергия кванта флуоресценции оказывается меньшей, т. е. спектр флуоресценции сдвинут в длинноволновую сторону относительно наиболее длинноволновой полосы поглощения (закон Стокса) (т.к. E=hc/лямбда, чем меньше энергия, тем длиннее лямбда). Если что рисуем 2 гладких холма, где правый – спектр флуоресценции, а левый – поглощения. Форма полос флуоресценции определяется распределением колебательных подуровней основного состояния, т. е. отражает колебательную структуру основного состояния S0.

Часто распределение колебательных подуровней по энергиям у основного и возбужденного состояний одинаково; следовательно, полосы флуоресценции и поглощения будут зеркально симметричны относительно так называемого (0 - 0)-перехода (единственный переход, имеющий одинаковую энергию поглощения и флуоресценции).

Принцип Франка – Кондона: электронные переходы в молекулах происходят очень быстро (около 10 в -15 с) по сравнению с движением ядер, благодаря чему расстояние между ядрами и их скорости при электронном переходе не успевают измениться. Существует несколько дополнительных формулировок этого принципа: электроны не обмениваются энергией с ядрами; электроны всегда имеют равновесную конфигурацию при любом расположении ядер. Зависимость потенциальной энергии системы от координат ядер многоатомной молекулы в основном и возбужденном состояниях различается. В наиболее простом случае (двухатомная молекула) минимумы кривых потенциальных энергий в основном и возбужденном состояниях сдвинуты, поскольку орбиталь, заполняемая электроном в возбужденном состоянии, занимает большую область пространства, чем в основном состоянии, и положение равновесия в возбужденном состоянии, следовательно, соответствует большему межъядерному расстоянию (поэтому сдвиг). Кроме того, форма таких потенциальных кривых в основном и возбужденном состояниях также различается (рис. 2).

В соответствии с принципом Франка - Кондона наиболее вероятным будет такой переход, при котором не произойдет изменений ни в положении ядер, ни в импульсе (принцип вертикальности перехода между двумя электронными состояниями). Решение волнового уравнения показывает, что хотя при поглощении кванта света возможны различные переходы, однако наиболее вероятным будет переход, обозначенный сплошной стрелкой вверх на рис. 2. Иными словами, наиболее вероятное межъядерное расстояние для молекулы с нулевой колебательной энергией соответствует середине АВ. В случае флуоресценции наиболее вероятным будет испускание из середины CD (сплошная стрелка вниз), что соответствует наиболее интенсивной полосе спектра. Флуоресценция происходит с самого нижнего колебательного уровня первого возбужденного состояния при переходе молекулы в основное состояние. Вероятность перехода из возбужденного в основное состояние может быть описана константой скорости перехода k, которая по физическому смыслу эквивалентна константе мономолекулярной реакции. Кинетика перехода может быть описана реакцией первого порядка dS*/dt=-kS*, где S* - количество возбужденных молекул. После интегрирования волшебным образом I=Io*exp(-kt), k – константа флуоресценции.

При отсутствии безызлучательных процессов (фи= 1) длительность пребывания молекулы в возбужденном состоянии определяется радиационным, или естественным, временем жизни тау0=1/константу флуоресценции. Это то время, в течение которого число возбужденных молекул уменьшается в e раз. В реальных ситуациях квантовый выход обычно меньше единицы, поскольку с флуоресценцией конкурируют безызлучательные процессы: интеркомбинационная конверсия с переходом в триплетное возбужденное состояние, сопровождающееся изменением спина, внутренняя конверсия, диссипация в тепло, фотохимическая реакция или дезактивация за счет тушения флуоресценции при взаимодействии с молекулами тушителя Q.

В действительности квантовый выход флуоресценции меньше единицы вследствие существования в молекуле безызлучательных процессов; следовательно, реальное (или измеряемое) время жизни тау флуоресц окажется меньше тау): 1/сумму констант происходящих процессов (флуоресценция, фотосинтез, интеркомбинационная конверсия в триплетное состояние, диссипация в тепло (внутренняя конверсия), тушение*[Q]). Квантовый выход флуоресценции в этом случае выражается соотношением: фи=константа флуоресценции/сумму констант происходящих процессов, т.е. Фи=константа флуоресценции*время жизни.

В отсутствие тушителя квантовый выход флуоресценции обозначают как фи фл0. Фи фл0/фи фл= 1 + константаq*[Q])/сумму всех констант без тушителя, то, обозначив время жизни в отсутствие тушителя через тау фл0 (не путать с тау0 которая вообще без побочных процессов), получим, что тау фл0 =1/ сумму всех констант без тушителя и (фи фл0/фи фл)– 1= тау фл0* константаq*[Q]=K[Q]. I=I0/(1+ K[Q]). Последнее уравнение называется соотношением Штерна и Фольмера, а К - константой тушения. Последняя легко определяется экспериментально при измерении интенсивностей флуоресценции различных образцов, отличающихся концентрацией тушителя. Для этого достаточно оценить угловой коэффициент прямой в координатах I без тушителя/(Iс тушителем - 1) и [Q].

Исходя из определения квантового выхода флуоресценции фи=I фл/(I0-Iпрошедшего через объект), с использованием закона Ламберта - Бэра можно установить связь между интенсивностью флуоресценции I и молярным коэффициентом поглощения, а также концентрацией с: I=K*I0*(1-Т)*фи, где I0- интенсивность возбуждающего света, (1 - Т) - величина поглощения, Т - величина пропускания, К - коэффициент пропорциональности, зависящий от способа измерения.

Так как D= - lg Т = эпсилон*с1, где D - оптическая плотность, то I=K*I0*(1-10 в степени -D)*фи. Выражение в скобках можно разложить в ряд при небольших значениях D и ограничиться линейным членом: I примерно=2,3K*I0*эпсилон*cl*фи

Это означает, что при малых оптических плотностях (меньше 0,1-0,2) I пропорциональна концентрации флуоресцирующего вещества и интенсивности возбуждающего света.

Точное измерение интенсивности флуоресценции осложняется целым рядом факторов: реабсорбцией флуоресценции, экранированием возбуждающего света другими молекулами, светорассеянием, гетерогенностью объекта, миграцией энергии, тушением флуоресценции. При комнатной температуре квантовый выход флуоресценции хлорофилла в нативных фотосинтетических мембранах составляет не более 3%. Низкотемпературная техника может ослабить влияние возбуждающего света, вызывающего побочные процессы. Флуоресценция хлорофилла в нативных фотосинтетических мембранах продуцируется молекулами хлорофилла антенны и при комнатной температуре характеризуется главным максимумом 684-687 нм и «плечом» в более длинноволновой области около 720-730 нм. В случае целых листьев из-за реабсорбции доля длинноволновой полосы возрастает. При комнатной температуре квантовый выход для фотосистемы 1 в несколько раз меньше, чем для фотосистемы 2.

Люминесценция - «холодное» свечение некоторых веществ (люминофоров); излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела при данной температуре и имеющее длительность, значительно превышающую период световых волн. Характеристики: спектр возбуждения, спектр люминесценции, квантовый выход, время жизни молекулы в возбужденном состоянии. Она делится на уже описанную флуоресценцию (быструю люмин) и фосфоресценцию (медленную люмин). Фосфоресценция – переход с нижнего колебательного уровня триплетного состояния T1 на основное возбужденное (время жизни возбужденного состояния при фосфоресценции составляет порядка 10 в −2 – 10 в −4 с, т.к. синглет-триплетные переходы имеют квантово-механический запрет – так может делать хлорофилл). Механизмы миграции хорошо отражает рис 3 и описанные ранее процессы.

Рис. 3. Схематическое изображение физического механизма люминесценции: жирными горизонтальными линиями обозначены энергетические состояния молекулы люминесцирующего вещества; S0 - основное (невозбужденное) состояние; S2, S2 и Т1 - возбужденные состояния; тонкими горизонтальными линиями обозначены колебательные уровни (0, 1, 2.,. или 0’, 1’, 2’ и т.д.); в прямоугольниках показано направление спина возбужденного электрона (слева) по отношению к спину оставшегося электрона; ВК - внутренняя конверсия (переходы электрона без обращения спина); ИК - интеркомбинационная конверсия (переходы электрона с обращением спина). При поглощении энергии молекула переходит в возбужденное состояние S1 или S2 (обозначено синими вертикальными стрелками). Часть поглощенной энергии преобразуется в тепло (обозначено волнистыми стрелками), при этом молекула переходит на нижний колебательный уровень состояния S1 или трансформируется в состояние Т1 Возвращение молекулы из состояния S1 или Т1 на исходный энергетический уровень может сопровождаться излучением света - флюоресценцией (обозначена темно-зелеными стрелками) или фосфоресценцией (обозначена светло-зелеными стрелками).

Люминесценция биологических объектов может быть собственной (первичной) либо возникать после соответствующей химической модификации имеющихся веществ (вторичная), а также после введения так называемых флюоресцентных зондов.

Флюоресцирующие соединения могут быть определены в очень низких концентрациях, часто в присутствии посторонних веществ. Поэтому регистрация люминесценции успешно используется для количественного определения многих биологически важных веществ. Одним из наиболее ярко флюоресцирующих лекарственных соединений является хинин. В кислых растворах он люминесцирует в синей области (450-475 нм). Чтобы определить его в плазме крови проводят осаждение белков метафосфорной кислотой и измеряют люминесценцию хинина прямо в фильтрате. Яркой синей флюоресценцией обладает противогрибковый препарат гризеофульвин, он легко определяется в экстрактах из крови или мочи. Барбитураты в щелочной среде обладают яркой зеленой флюоресценцией, их можно определить в экстрактах из биологического материала. После экстракции возможна количественная регистрация многих витаминов, например витамина Е, максимум флюоресценции которого лежит в УФ-области при 330 нм. Витамин В6 имеет синюю, а витамин А - зеленую флюоресценцию. Витамины С, D, В12 и др. удается определить по вторичной люминесценции. Наркотические вещества морфин и героин флюоресцируют очень слабо, но после обработки образцов серной кислотой с последующим выщелачиванием возникает специфическая интенсивная синяя флюоресценция продуктов реакции. Этим методом удается определить до 0,02 мкг наркотика в пробе. Чувствительным лабораторным методом определения АТФ является регистрация хемилюминесценции в присутствии люциферина и люциферазы светлячка. Люцифераза катализирует реакцию восстановленного люциферина с АТФ; продукт этой реакции - аденилат при окислении испускает свет. По собственной люминесценции проводят контроль качества пищевых продуктов. Так, при длительном хранении молока и сливок рибофлавин окисляется в люмихром, что сопровождается изменением цвета флюоресценции от желто-зеленого к синему. Яйца, зараженные некоторыми видами бактерий рода Pseudomonas, при УФ-облучении начинают интенсивно флюоресцировать (за счет пигмента пиовердина, синтезированного этими бактериями).

Регистрация люминесценции позволяет получать важную информацию о физико-химических свойствах биологических объектов в норме и патологии. Молекулярные механизмы работы цепи переноса электронов в митохондриях, целых клетках и даже в тканях изучают по изменению синей (440 нм) флюоресценции восстановленных пиридиннуклеотидов, возбуждаемой при 365 нм. При изучении структуры нуклеиновых кислот применяют акридиновый оранжевый и другие зонды. При этом определение положения максимума люминесценции в спектре позволяет судить о структуре нуклеиновой кислоты. Так, максимум акридинового оранжевого и двуспиральной нативной ДНК располагается в зеленой области спектра (530 нм), тогда как в одноцепочечной ДНК и РНК он смещается в красную область (640 нм). Микрофлюориметрически с помощью зондов анализируют ДНК непосредственно в клетках. В медицинской технике распространение получили неорганические люминофоры - вещества, способные к фото-, рентгенофлюоресценции и т.д.

Биолюминесценция – видимое свечение организмов, связанное с процессами их жизнедеятельности; являет собой результат биохимической реакции, в которой химическая энергия возбуждает специфическую молекулу, и та излучает свет. Наблюдается у нескольких десятков видов бактерий, низших растений (грибов), у некоторых беспозвоночных животных (от простейших до насекомых включительно), у рыб. Светящиеся организмы иногда размножаются в таком количестве, что вызывают свечение моря. У многих организмов (бактерии, простейшие, ракообразные, грибы и др.) свечение происходит постоянно и непрерывно, если в окружающей среде есть кислород. У других биолюминесценция происходит отдельными вспышками и связана с условиями жизнедеятельности (голод, период размножения и др.). Биологическое значение биолюминесценции различно. Так, у светящихся насекомых вспышки биолюминесценции служат сигналом, позволяющим самцам и самкам находить друг друга; у ряда глубоководных рыб - для освещения и приманки добычи; у каракатицы - для защиты от хищников (путём выбрасывания светящейся жидкости) и др. В некоторых случаях источником биолюминесценции животного являются светящиеся бактерии-симбионты (например, т. н. несамостоятельное свечение ряда рыб).

1. Люминесценция, виды люминесценции.

2. Механизмы фотолюминесценции.

3. Cпектры возбуждения и люминесценции. Правило Стокса.

4. Хемилюминесценция.

5. Использование люминесценции в биологии и медицине.

6. Основные понятия и формулы.

29.1. Люминесценция, виды люминесценции

Люминесценцией называют свечение тел, которое не может быть объяснено их тепловым излучением. Так, например, в видимой области спектра тепловое излучение становится заметным только при температуре ~10 3 -10 4 К, а люминесцировать тело может при любой температуре. Поэтому люминесценцию часто называют холодным свечением. Одной из причин, вызывающих люминесценцию, является внешнее излучение, которое возбуждает молекулы тела. Например, падающий свет. После прекращения процесса облучения люминесцентное свечение не прекращается тотчас же, а продолжается еще некоторое время. Это последействие отличает люминесценцию от таких явлений, как отражение и рассеяние света. В настоящее время в физике принято следующее определение люминесценции.

Люминесценция - излучение, представляющее собой избыток над тепловым излучением тела и продолжающееся в течение времени, значительно превышающего период световых колебаний (10 15 с).

Вещества, способные превращать поглощаемую ими энергию в люминесцентное свечение, называют люминофорами.

Люминесценция - результат квантовых переходов в возбужденных атомах, молекулах, кристаллах. По виду возбуждения различают следующие типы люминесценции:

фотолюминесценция - возникает при возбуждении атомов светом (ультрафиолетовые лучи и коротковолновая часть видимого света);

рентгенолюминесценция - возникает при возбуждении атомов рентгеновским и γ -излучением (экраны рентгеновских аппаратов, индикаторы радиации);

катодолюминесценция - возникает при возбуждении атомов электронами (кинескопы, экраны осциллографов, мониторов);

радиолюминесценция - возникает при возбуждении атомов продуктами радиоактивного распада;

электролюминесценция - возникает при возбуждении атомов под действием электрического поля (возбуждение молекул газа электрическим разрядом - газоразрядные лампы);

хемилюминесценция - возникает при возбуждении молекул в процессе химических реакций;

биолюминесценция - возникает в биологических объектах в результате определенных биохимических реакций;

сонолюминесценция - возникает под действием ультразвука.

Как уже отмечалось выше, люминесценция продолжается и после прекращения внешнего возбуждения люминофора. По длительности остаточного свечения различают флуоресценцию и фосфоресценцию:

флуоресценция - кратковременное остаточное свечение, длительность которого составляет 10 -9 -10 -8 с;

фосфоресценция - продолжительное остаточное свечение, длительность которого составляет 10 -4 -10 4 с.

29.2. Механизмы фотолюминесценции

Фотолюминесценция начинается с возбуждения атома или молекулы фотоном внешнего излучения с некоторой частотой ν. В результате атом переходит с основного энергетического уровня (1) на один из возбужденных уровней (2). Далее возможны три продолжения.

1. Атом (молекула) возвращается на основной уровень с испусканием фотона, частота которого равна частоте поглощенного фотона: v л = ν (рис. 29.1, а). Такая люминесценция называется резонансной.

Рис. 29.1. Виды люминесценции: резонансная (а), стоксова (б) и антистоксова (в)

2. Возбужденный атом взаимодействует с окружающими его атомами и безызлучательно переходит на нижний возбужденный уровень (2). Затем он переходит на основной уровень, испуская фотон меньшей частоты: ν л < ν (рис. 29.1, б). Такая люминесценция называется стоксовой (в честь Дж. Г. Стокса).

3. Возбужденный атом взаимодействует с окружающими его атомами и переходит на верхний возбужденный уровень Затем он переходит на основной уровень, испуская фотон большей частоты: ν л > ν (рис. 29.1, в). Такая люминесценция называется антистоксовой.

29.3. Спектры возбуждения и люминесценции. Правило Стокса

В процессе фотолюминесценции происходит преобразование поглощаемой световой энергии в энергию люминесцентного излучения. Поглощающая способность вещества характеризуется спектром поглощения (см. лекцию 28). Волны, при поглощении которых возникает люминесценция, образуют полосу возбуждения (рис. 29.2). Таких полос может быть несколько. Совокупность всех полос возбуждения образует спектр возбуждения.

Распределение интенсивности люминесцентного излучения по длинам испускаемых волн называется спектром люминесценции: I л = f(λ л). Исследования показали, что спектр люминесценции не меняется при изменении длины волны возбуждающего света в пределах полосы возбуждения.

Рис. 29.2. Независимость спектра люминесценции от длины волны возбуждающего света

Каждый люминофор характеризуется своими, только ему присущими спектрами люминесценции и поглощения.

На люминесцентное излучение тратится только часть энергии поглощаемого света. Поэтому для люминесценции выполняется правило (закон) Стокса:

Спектр люминесценции сдвинут в длинноволновую область относительно спектра поглощения того же соединения.

Правило Стокса используется в осветительной технике для преобразования ультрафиолетового излучения в видимый свет. Примером является ртутная лампа, в которой пары ртути, возбуждаемые электрическим разрядом, излучают ультрафиолет. На внутреннюю поверхность лампы нанесен слой люминофора с подходящим спектром люминесценции в видимой области. По сравнению с лампами накаливания такие лампы более экономичны.

29.4. Хемилюминесценция

Люминесценция, возникающая в химических реакциях, при которых происходит выделение энергии, называется хемилюминесценцией. При этом происходит превращение химической энергии в световую.

При хемилюминесценции свет испускается либо непосредственно продуктами реакции, либо другими компонентами, которым передается возбуждение. Яркость хемилюминесценции пропорциональна скорости реакции.

Хемилюминесценция, которая возникает в биологических объектах, называется биохемилюминесценцией. Биохемилюминесценция присуща самым разнообразным видам живых существ (всего около 250 видов).

Механизм биохемилюминесценции определяется реакциями окисления. Например, если поместить кусок светящейся гнилушки под колпак воздушного насоса и откачать воздух, то свечение прекратится. Если после этого под колпак подать воздух, то свечение возобновится. Было показано, что в биологических системах хемилюминесценция возникает при рекомбинации перекисных свободных радикалов липидов. Свечение при биохемилюминесценции бывает весьма интенсивным - известен случай, когда хирурги оперировали в полевых условиях по ночам при свете банок, наполненных тропическими светляками.

29.5. Использование люминесценции в биологии и медицине

Люминесцентный, качественный и количественный анализы

Люминесцентный анализ - совокупность методов для определения природы и состава вещества по спектру его люминесценции.

Качественный анализ - определение наличия (или отсутствия) каких-либо веществ (молекул) по форме спектра люминесценции. При этом можно изучать структуру молекул вещества; межмолекулярное взаимодействие; химические превращения.

Количественный анализ - определение количества вещества по интенсивности спектра люминесценции (можно обнаружить массу вещества m = 10 -10 г).

Если люминофором является растворенное вещество, то при невысокой оптической плотности раствора интенсивность люминесценции пропорциональна концентрации раствора. Поэтому по интенсивности люминесценции можно судить о концентрации раствора. Для этого интенсивность люминесценции исследуемого раствора (Ι χ) сравнивают с интенсивностью люминесценции раствора (I 0), концентрация которого известна. Неизвестную концентрацию С х находят по формуле

По методике исследования люминесцентный анализ можно представить следующей схемой.

Макроанализ - наблюдение невооруженным глазом люминесценции объектов, облученных УФ-излучением:

Проверка качества и сортировка пищевых продуктов.

Сортировка фармакологических средств.

Свечение волос, чешуек, ногтей при диагностике их поражения грибком и лишаем.

Микроанализ - исследование люминесцирующих микрообъектов при помощи специальных люминесцентных микроскопов, в которых есть специальный осветитель, содержащий ртутную лампу со светофильтром, пропускающим УФ-излучение.

Флуоресцентные зонды

В некоторых медицинских исследованиях применяются специальные люминофоры, вводимые в организм и распределяющиеся по тканям в соответствии со своими свойствами. Такие люминофоры получили название флуоресцентных зондов. Например, при введении раствора такого люминофора в кровь он разносится по всему организму и диффундирует в дерму и эпидермис. Люминесценция возбуждается длинноволновым ультрафиолетовым излучением и наблюдается в видимом свете. В поверхностных тканях с пониженным кровоснабжением люминесценция появляется позже, чем в тканях с нормальным кровоснабжением.

Флуоресцентные метки

Флуоресцирующие молекулы можно ковалентно связывать с определенными молекулами, и затем эту систему вводить в исследуемый объект. Такие молекулы называются флуоресцентными метками. Примером является использование флуоресцентно меченых антител. Если добавить такие антитела к суспензии смеси клеток, то они связываются только с теми из них, на поверхности которых

Главными параметрами люминесценции (флуоресценции) являются: спектр люминесценции, квантовый выход, время жизни молекулы в возбужденном состоянии, спектр возбуждения. Рассмотрим эти параметры.

Спектр флуоресценции - зависимость излучения от длинны волны.

Квантовый выход (j) - это отношение количества квантов, испускаемых с уровня S 1 к количеству поглощенных квантов:

j = n фл / n погл

Если бы все переходы вниз сопровождались излучением, то квантовый выход j =1. Но за счет потерь рекомбинации (процессов, конкурирующих с флуоресценцией: тепловые потери и т. д.) он меньше единицы.

Определить квантовый выход можно по методу Паркера-Рисса . В одинаковых условиях снимается спектр неизвестного вещества и эталона с известным квантовым выходом (j 0):

j = j 0 ´S´D 0 / D´S 0 ,

где D 0 , D- оптические плотности эталона и исследуемого вещества;

S 0 , S - площади под кривыми флуоресценции, соответственно.

В качестве эталона используют флуоресцин в растворе NaCl (0.1М).

Время жизни молекул в возбужденном состоянии (t) определяется суммарной вероятностью его дезактивации:

t =1/ (k фл + k вн.к + k ин.к),

где k фл - константа скорости флуоресценции;

k вн.к - константа скорости внутренней конверсии;

k ин.к - константа скорости интеркомбинационной конверсиии.

Спектром возбуждения флуоресценции называется зависимость интенсивности флуоресценции от длинны волны возбуждающего света:

I фл / I 0 = f(l в),

где I фл - интенсивность флуоресценции;

I 0 - интенсивность падающего (возбуждающего) света;

l в - длина волны возбуждающего света.

Измерение спектров возбуждения флуоресценции имеет важное значение для решения целого ряда задач. Так, спектр возбуждения дает возможность установить спектр поглощения компонента, который флуоресцирует в исследуемой спектральной области, что позволяет идентифицировать этот компонент. Сравнительное изучение спектров возбуждения и флуоресценции позволяет обнаружить миграцию энергии возбуждения между различными компонентами в сложных системах. Так, если в двухкомпонентных системах флуоресцирует только один компонент, а в спектре возбуждения этой флуоресценции зарегистрированы полосы, соответствующие поглощению обоих компонентов, это означает, что в данной системе происходит миграция энергии с одного компонента на другой.

Явление флуоресценции описывается рядом законов.

Закон Вавилона : так как испускание флуоресценции происходит всегда с нижнего возбужденного энергетического уровня (S 1), то квантовый выход не зависит от длины волны возбуждающего света.

Правило Каша : так как испускание флуоресценции происходит всегда с нижнего возбужденного энергетического уровня (S 1), то форма спектра флуоресценции не зависит от длины волны возбуждающего света.

Кроме того, спектр флуоресценции сдвинут в длинноволновую сторону по сравнению с полосами поглощения, так как энергия поглощенного кванта частично растрачивается на тепловые колебания. Это приводит к тому, что энергия флуоресценции меньше, чем энергия поглощения кванта света.

Закон Стокса : спектр флуоресценции будет расположен в более длинноволновой области, чем самый длинноволновый максимум в спектре поглощения.