Ֆլուորեսցենցիա

Ուլտրամանուշակագույն ճառագայթների ազդեցության տակ ֆլուորեսցենտային հանքանյութերն արտացոլում են տեսանելի լույսը

Կենսաֆլուորեսցենտ ծովային կենդանիներ

Սմիթսոնիտ և կալցիտ միներալները ուլտրամանուշակագույն ճառագայթների ներքո

Ֆլուորեսցենցիան մասնիկների կողմից լույսի ֆոտոնների առաքման երևույթն է։ Ընդհանրապես, էլեկտրոնային գրգռված վիճակներից ֆոտոնների առաքման պրոցեսը կոչվում է լյումինեսցենցիա։ Լյումինեսցենցիայի տարատեսակներից է ֆոտոլյումինեսցենցիան, որն իր հերթին ընդգրկում է երկու երևույթ՝ ֆլուորեսցենցիա և ֆոսֆորեսցենցիա՝ կախված հիմնական և գրգռված վիճակների բնույթից։ Սինգլետ գրգռված վիճակում բարձր և ցածր էներգետիկ մակարդակներում գտնվող էլեկտրոնների սպինները ունեն հակառակ ուղղվածություն։ Այլ կերպ ասած, այդ էլեկտրոնների սպինները զույգված են։ Տրիպլետ վիճակում վերջիններս զույգված չեն, այսինքն ունեն միևնույն ուղղությունը։ Գրգռված սինգլետ վիճակից հիմնական սինգլետ վիճակի անցնելիս էլեկտրոնի սպինի փոփոխություն չպետք է տեղի ունենա, ինչը սակայն տեղի ունի տրիպլետ վիճակից հիմնական սինգլետ վիճակի անցնելիս։ Ֆլուորեսցենցիան ֆոտոնների այնպիսի առաքումն է, որի դեպքում էլեկտրոնների սպինների փոփոխություն տեղի չի ունենում։ Իսկ ֆոսֆորեցենցիան այն առաքումն է, որը տեղի է ունենում տարբեր մուլտիպլետության վիճակների միջև անցումների ժամանակ (հիմնականում՝ գրգռված տրիպլետից հիմնական սինգլետ վիճակի անցնելիս)։ Որպես կանոն, ֆոսֆորեսցենցիան, ի տարբերություն ֆլուորեսցենցիայի, շեղված է դեպի ավելի երկարալիքային մարզը, ինչը պայմանավորված է առաքման ժամանակ տեղի ունեցող էներգիայի կորուստներով։

Լույսի կլանման և առաքման պրոցեսները պատկերված են Յաբլոնսկու դիագրամում։ . Հիմնական, առաջին և երկրորդ էլեկտրոնային վիճակները նշանակված են համապատասխանաբար S0, S1, S2։ Այս մակարդակներից յուրաքանչյուրը իր հերթին բաղկացած է մի քանի տատանողական մակարդակներից։ Տարբեր էներգետիկ մակարդակների միջև անցումները ցույց են տրված ուղղահայաց սլաքներով։

Քվանտային ելք

Ֆլուորեսցենցիայի քվանտային ելքը բնութագրում է առաքման պրոցեսի արդյունավետությունը։ Այն իրենից ներկայացնում է առաքված ֆոտոնների թվի հարաբերությունը կլանված ֆոտոնների հարաբերությանը։ Քվանտային ելքի առավելագույն արժեքը 1 է, իսկ որպես նվազագույն արժեք ընդունված է 0.1-ը։ Տվյալ նյութի ֆլուորեսցենտային քվանտային ելքը որոշվում է՝ համեմատելով այն ստանդարտի հետ։ Հայտնի և առավելապես կիրառվող ստանդարտ է Խինին սուլֆատի լուծույթը 0.1 Մ ծծմբական թթվում։

Կանոններ

Ֆլուորեսցենցիայի երևույթը առնչվում է մի շարք ընդհանուր կանոնների հետ։

Կաշայի կանոն

Համաձայն Կաշայի կանոնի՝ գրգռման ալիքի երկարությունը չի ազդում առաքման ազդանշանի վրա։ Գրգռումից հետո տեղի է ունենում արագ ապագրգռում մինչև S1 մակարդակը, որի պատճառով էլ առաքման ազդանշանը և քվանտային ելքը անկախ են գրգռման ալիքի երկարությունից։

Հայելային պատկերի (անդրադարձի) կանոն

Որպես կանոն, ֆլուորեսցենց առաքման սպեկտրը էլեկտրոնային կլանման սպեկտրի հայելային անդրադարձումն է։ Այս երևույթը կապված է Ֆրանկ-Կոնդոնի սկզբունքի հետ, համաձայն որի էլեկտրոնային անցումների ժամանակ միջուկների տեղաշարժ տեղի չի ունենում և այդպիսի անցումները Յաբլոնսկու դիագրամում պատկերվում են ուղղահայաց գծերով։ Սա նշանակում է, որ ֆլուորոֆորի գրգռված վիճակում տատանողական մակարդակները նման են հիմնական վիճակի տատանողական մակարդակներին։

Ստոքսյան շեղում

Ֆլուորոֆորի գրգռումը, որպես կանոն, տեղի է ունենում մինչև որոշակի տատանողական մակարդակը (S1 կամ S2)։ Որից հետո տեղի է ունենում արագ ապագրգռում մինչև ամենացածր տատանողական մակարդակը՝ S1։ Այս պրոցեսը կոչվում է ներքին կոնվերսիա, որը տեղի է ունենում 10⁻¹² վ ընթացքում։ Մոլեկուլները, որոնք գտնվում են S1 վիճակում, կարող են անցնել նաև առաջին տրիպլետ մակարդակը՝ T1։ Այդպիսի անցումը կոչվում է միջհամակարգային անցում։ Էներգիայի այսպիսի կորուստներով է պայմանավորված այն հանգամանքը, որ առաքման ազդանշանը, ի տարբերություն կլանման, շեղված է դեպի ավելի երկարալիքային տիրույթ, ինչը ստացել է ստոքսյան շեղում անվանումը։

Կիրառությունները

Ֆլուորեսցենց սպեկտրոսկոպիան մեծ նշանակություն ունի կենսաբանական համակարգերի ուսումնասիրման համար։ Դա հիմնված է այն հանգամանքի վրա, որ կենսամոլեկուլներում տեղի ունեցող պրոցեսները անմիջական դրսևորում են ունենում ֆլուորեսցենց սպեկտրներում։ Մասնավորապես, ֆլուորեսցենց սպեկտրոսկոպիայի օգնությամբ հնարավոր է ուսումնասիրել սպիտակուցների հետ տեղի ունեցող կառուցվածքային փոփոխությունները՝ դենատուրացումը։ Ի հաշիվ այն բանի, որ տրիպտոֆանի ֆլուորեսցենցիան շատ զգայուն է միջավայրի փոփոխությունների նկատմամբ, այն անմիջականորեն արձագանքում է սպիտակուցի կառուցվածքային փոփոխություններին։ Կենսաբանական մեմբրաններում արտաքին նշանակրի տեղաբաշխումը ևս հնարավոր է ուսումնասիրել ֆլուորեսցենց սպեկտրոսկոպիայի օգնությամբ։ Այն փաստը, որ մի շարք ֆլուորեսցենց նշանակիրներ ունեն թույլ ֆլուորեսցենցիա ազատ (չկապված) վիճակում և կենսամոլեկուլների հետ կապվելիս, վերջիններիս ֆլուորեսցենցիայի քվանտային ելքը մեծանում է, և դա օգտագործվում է կենսամոլեկուլները, մասնավորապես ԴՆԹ-ն, «տեսանելի» դարձնելու համար։ Չնայած այն բանին, որ ԴՆԹ-ի մոլեկուլի կազմի մեջ ազոտային հիմքերը պետք է, որ ունենային ֆլուորեսցենցելու հատկություն, սակայն ԴՆԹ-ն գրեթե չի ֆլուորեսցենցում։ Այդ եղանակով ԴՆԹ ուսումնասիրելու համար օգտագործում են արտաքին ֆլուորեսցենցող նշանակիրների մեթոդը։ ԴՆԹ-ի մոլեկուլին կապում են մեկ այլ ֆլուորեսցենցող մոլեկուլ, որն արդեն զգայուն կլինի ԴՆԹ-ի հետ տեղի ունեցող կառուցվածքային փոփոխությունների նկատմամբ, որոնք երևան կգան նշանակրի ֆլուորեսցենց սպեկտրներում։ Այս նպատակով որպես ֆլուորեսցենց նշանակիրներ կարող են օգտագործվել մի շարք նյութեր, ինչպիսիք են ակրիդինային նշանակիրները, էթիդիումի բրոմիդը և այլ հարթ կառուցվածք ունեցող կատիոնային միացություններ։

Արտաքին հղումներ

• "A nano-history of fluorescence" lecture by David Jameson
• Database of fluorescent minerals with pictures, activators and spectra (fluomin.org) Արխիվացված 2017-06-08 Wayback Machine
• FSU.edu, Basic Concepts in Fluorescence