Що таке флуоресцентна спектроскопія?
Флуоресцентна спектроскопія аналізує флуоресценцію молекул на основі їх флуоресцентних властивостей.
Флуоресценція — це люмінесценція, яка виникає, коли молекула збуджується фотоном до електронно збудженого стану, щоб повернутися до основного стану.
Флуоресцентна спектроскопія використовує промінь світла, щоб збудити електрони в певних складових молекулах і змусити їх випромінювати світло. Світло проходить через монохроматор і потрапляє в детектор, де його детектують, який використовується для вимірювання та ідентифікації молекул або змін у молекулах.
Вступ до флуоресцентної стаціонарної{0}}спектроскопії та випробування протягом усього життя
Флуоресценція широко відноситься до явища люмінесценції, світла, що випромінюється молекулами. Існує кілька видів світіння.
Фотолюмінесценція - це випромінювання фотонів, збуджених світловою енергією або фотонами.
Хемілюмінесценція, що визначається як люмінесценція фотонів, збуджених хімічною енергією, включає біолюмінесценцію, як це видно у світлячків і багатьох морських мешканців.
Електролюмінесценція — це випромінювання фотонів, коли електрична енергія або сильне електричне поле стимулює фотони, наприклад, у деяких освітлювальних приладах.
Зокрема, флуоресценція - це тип фотолюмінесценції, коли світло переводить електрони в збуджений стан. Збуджений стан швидко втрачає теплову енергію в навколишнє середовище через вібрацію, а потім випускає фотони з найнижчого синглетного збудженого стану. Цей процес фотонної емісії конкурує з іншими невипромінювальними процесами, включаючи передачу енергії та втрати тепла.
Коли використовується термін «флуоресценція», той самий метод вимірювання зазвичай застосовується до будь-якого з вищенаведених класів люмінесценції.
Що таке флуоресцентна спектроскопія?
Спектри збудження флуоресценції та випромінювання віддзеркалюють один одного. Флуоресцентна спектроскопія використовує випромінювання та збудження, щоб побачити, як змінюється зразок.
Рис. 1: Спектр збудження флуоресценції (синій) і спектр випромінювання (фіолетовий) є дзеркальними відображеннями один одного
Стаціонарна-спектроскопія флуоресценції – це коли молекула флуоресцує при збудженні постійним джерелом світла, а випромінювані фотони або інтенсивність визначаються як функція довжини хвилі. Спектр випромінювання флуоресценції – це коли довжина хвилі збудження фіксована, довжина хвилі випромінювання сканується, і виявляється співвідношення між інтенсивністю та довжиною хвилі випромінювання.
Спектр збудження флуоресценції - це коли довжина хвилі випромінювання фіксована, змінюючи довжину хвилі монохроматора збудження, скануючи інтенсивність на різних довжинах хвилі. Таким чином, спектр надає інформацію про довжину хвилі зразка та поглинання, щоб вибрати оптимальну довжину хвилі окремого випромінювання для виявлення випромінювання. Він подібний до абсорбційної спектроскопії, але є більш чутливим методом з точки зору меж виявлення та молекулярної специфічності. Спектри збудження є специфічними для однієї довжини хвилі/виду випромінювання відносно спектрів поглинання всіх поглинаючих видів у вимірювальному розчині або зразку. Спектри випромінювання та збудження даного флуорофора є дзеркальними відображеннями один одного. Як правило, спектри випромінювання з'являються на більш високих довжинах хвиль (нижчих енергіях), ніж спектри збудження або поглинання
Ці два спектральні типи (випромінювання та збудження) використовуються для спостереження за змінами зразка. Спектральна інтенсивність і пікова довжина хвилі можуть змінюватися в залежності від таких змінних, як температура, концентрація або взаємодії з навколишніми молекулами. Це включає молекули, що гасять, і молекули або матеріали, які беруть участь у передачі енергії. Деякі флуорофори чутливі до властивостей середовища розчинника, таких як рН, полярність і певні концентрації іонів.
Які типи молекул або матеріалів мають флуоресценцію?
Спектри випромінювання флуоресценції деяких поширених флуорофорів. Флуорофори відіграють центральну роль у флуоресцентній спектроскопії і роблять цей тип спектроскопії високочутливою технікою.
Рис. 2: Спектри випромінювання флуоресценції деяких поширених флуорофорів у УФ та видимому спектрі
Флуоресцентні молекули та матеріали бувають будь-яких форм і розмірів. Деякі за своєю природою є флуоресцентними, наприклад, хлорофіл і амінокислотні залишки триптофан (Trp), фенілаланін (Phe) і тирозин (Tyr). Інші – це молекули, синтезовані як стабільні органічні барвники або мітки, які можна додавати до інших не-флуоресцентних систем. Як правило, органічні флуоресцентні молекули мають такі структурні особливості, як ароматичні кільця та π--спряжені електрони. Залежно від їх розміру та структури органічні барвники випромінюють світло в діапазоні довжин хвиль від ультрафіолетового до ближнього-інфрачервоного.
Нижче наведено кілька випадкових поширених флуорофорів, випромінювання яких можна побачити в діапазоні УФ-Vis. Для деяких рідкоземельних елементів, таких як лантаноїди, через вищі електронні орбіталі, які заповнюються, електронні переходи через перенесення заряду від металевих лігандів відбуваються між 4f-5d або навіть 4f-4f орбіталями. (Bunzli, 1989) У природі існує багато молекул, які випромінюють світло, наприклад деякі амінокислоти, хлорофіл і природні пігменти. Інші ретельно розроблені для спеціального використання у флуоресцентній спектроскопії
Приклади флуоресцентних молекул і матеріалів:
Амінокислоти (Trp, Phe, Tyr)
Похідні пари основ (2-AP, 3-MI, 6-MI, 6-MAP, пірол-c, tC)
хлорофіл
Флуоресцентні білки (ФП)
Органічні барвники (флуоресцеїн, родамін, n-амінокумарини та їх похідні)
Рідкоземельні елементи (лантаніди)
напівпровідник
квантові точки
одностінні-вуглецеві нанотрубки
Сонячна батарея
Пігмент, Гальваніка
люмінофор
Більше…
Інші молекули та матеріали, такі як флуоресцентні білки, напівпровідники, люмінофори та рідкоземельні елементи, зазвичай використовуються для флуоресцентних зразків. Полімери, що містять сполучені ароматичні вуглеводні або дієни, часто також мають флуоресцентні властивості. Звичайно, вчені також працювали над створенням нових матеріалів.
