Что такое флуоресцентная спектроскопия?
Флуоресцентная спектроскопия анализирует флуоресценцию молекул на основе их флуоресцентных свойств.
Флуоресценция — это люминесценция, возникающая, когда молекула возбуждается фотоном до электронно-возбужденного состояния, чтобы вернуться в основное состояние.
Флуоресцентная спектроскопия использует луч света для возбуждения электронов в определенных составных молекулах и заставляет их излучать свет. Свет проходит через монохроматор и попадает в детектор, где он обнаруживается, который используется для измерения и идентификации молекул или изменений в молекулах.
Введение в спектроскопию стационарного состояния-флуоресценции и испытания на срок службы
Флуоресценция в широком смысле относится к явлению люминесценции, свету, излучаемому молекулами. Существует несколько видов свечения.
Фотолюминесценция — это испускание фотонов, возбуждаемых световой энергией или фотонами.
Хемилюминесценция, определяемая как люминесценция фотонов, возбуждаемых химической энергией, включает биолюминесценцию, наблюдаемую у светлячков и многих морских обитателей.
Электролюминесценция — это испускание фотонов, когда электрическая энергия или сильное электрическое поле стимулирует фотоны, например, в некоторых приложениях освещения.
В частности, флуоресценция — это тип фотолюминесценции, при котором свет переводит электроны в возбужденное состояние. Возбужденное состояние быстро отдает тепловую энергию окружающей среде из-за вибрации, а затем испускает фотоны из самого нижнего синглетного возбужденного состояния. Этот процесс испускания фотонов конкурирует с другими безызлучательными процессами, включая передачу энергии и потерю тепла.
Когда используется термин «флуоресценция», один и тот же метод измерения обычно применяется к любому из вышеперечисленных классов люминесценции.
Что такое флуоресцентная спектроскопия?
Спектры возбуждения и испускания флуоресценции зеркально отражают друг друга. Флуоресцентная спектроскопия использует излучение и возбуждение, чтобы увидеть, как меняется образец.
Рис. 1: Спектр возбуждения флуоресценции (синий) и спектр испускания (фиолетовый) являются зеркальными отображениями друг друга.
Стационарная-флуоресцентная спектроскопия – это когда молекула флуоресцирует при возбуждении постоянным источником света, а испускаемые фотоны или интенсивность обнаруживаются как функция длины волны. Спектр испускания флуоресценции – это когда длина волны возбуждения фиксирована, длина волны испускания сканируется, и получается соотношение между интенсивностью и длиной волны испускания.
Спектр возбуждения флуоресценции - это когда длина волны излучения фиксирована, за счет изменения длины волны монохроматора возбуждения, сканирования интенсивности на разных длинах волн. Таким образом, спектр предоставляет информацию о длине волны образца и поглощения для выбора оптимальной длины волны одиночного излучения для обнаружения излучения. Он похож на абсорбционную спектроскопию, но является более чувствительным методом с точки зрения пределов обнаружения и молекулярной специфичности. Спектры возбуждения специфичны для одной длины волны/вида излучения по сравнению со спектрами поглощения всех поглощающих частиц в измеряемом растворе или образце. Спектры испускания и возбуждения данного флуорофора являются зеркальным отражением друг друга. Как правило, спектры излучения появляются при более высоких длинах волн (более низких энергиях), чем спектры возбуждения или поглощения.
Эти два спектральных типа (излучение и возбуждение) используются для наблюдения за изменением образца. Спектральная интенсивность и пиковая длина волны могут варьироваться в зависимости от таких переменных, как температура, концентрация или взаимодействие с окружающими молекулами. Сюда входят молекулы гашения и молекулы или материалы, участвующие в переносе энергии. Некоторые флуорофоры чувствительны к свойствам среды растворителя, таким как рН, полярность и определенные концентрации ионов.
Какие типы молекул или материалов проявляют флуоресценцию?
Спектры испускания флуоресценции некоторых распространенных флуорофоров. Флуорофоры играют центральную роль в флуоресцентной спектроскопии и делают этот тип спектроскопии высокочувствительным методом.
Рис. 2: Спектры флуоресценции некоторых распространенных флуорофоров в УФ и видимом спектрах.
Флуоресцентные молекулы и материалы бывают всех форм и размеров. Некоторые из них флуоресцируют по своей природе, например, хлорофилл и аминокислотные остатки триптофан (Trp), фенилаланин (Phe) и тирозин (Tyr). Другие представляют собой молекулы, синтезированные как стабильные органические красители или метки, которые можно добавлять к другим не-флуоресцентным системам. Как правило, органические флуоресцентные молекулы имеют структурные особенности, такие как ароматические кольца и π-сопряженные электроны. В зависимости от размера и структуры органические красители излучают свет в диапазоне длин волн от ультрафиолетового до ближнего-инфракрасного.
Ниже приведены некоторые случайные распространенные флуорофоры, излучение которых можно увидеть в УФ--видимом диапазоне. Для некоторых редкоземельных элементов, таких как лантаноиды, из-за заполнения более высоких электронных орбиталей электронные переходы из-за переноса заряда от металлических лигандов происходят между 4f-5d или даже 4f-4f-орбиталями. (Bunzli, 1989) В природе существует множество молекул, излучающих свет, таких как некоторые аминокислоты, хлорофилл и природные пигменты. Третьи тщательно разработаны для специального использования в флуоресцентной спектроскопии.
Примеры флуоресцентных молекул и материалов:
Аминокислоты (Trp, Phe, Tyr)
Производные пары оснований (2-AP, 3-MI, 6-MI, 6-MAP, пиррол-c, tC)
хлорофилл
Флуоресцентные белки (FP)
Органические красители (флуоресцеин, родамин, н-аминокумарины и их производные)
Редкоземельные элементы (лантаниды)
полупроводник
квантовые точки
одностенные-углеродные нанотрубки
Солнечная батарея
Пигмент, Гальваника
люминофор
Более…
Другие молекулы и материалы, такие как флуоресцентные белки, полупроводники, люминофоры и редкоземельные элементы, обычно используются в качестве флуоресцентных образцов. Полимеры, содержащие сопряженные ароматические углеводороды или диены, также часто обладают флуоресцентными свойствами. Конечно, ученые также работали над созданием новых материалов.
