Фотолюмениценция
Фотолюминесценция: флуоресценция және фосфоресценция
Фотолюминесценция (кейде қысқаша люминесценция деп те аталады) екі негізгі түрге бөлінеді: флуоресценция және фосфоресценция. Кез келген фотолюминесценцияның басталуына hv энергиясы бар фотонның атомды немесе молекуланы қоздыруы жатады.
Резонанстық флуоресценция және энергияның «өшірілуі»
Ең қарапайым жағдай
Бір атомды бу немесе газдағы ең қарапайым жағдайда атом қозған күйден бастапқы күйге қайта түсіп, дәл сондай энергиялы фотон шығарады. Мұндай сәуле шығаруды резонанстық флуоресценция деп атайды.
Алайда арнайы тәжірибелер кейбір заттардың жарықтандыру тоқтағаннан кейін де ұзақ уақыт бойы әлсіз жарық шығаруы мүмкін екенін көрсетеді. Мұндай құбылыстар қарапайым мағынадағы «бірден сәуле шығару» механизміне толық сай келмейді және кейінгі процестердің (метастабильді күйлердің) рөлін меңзейді.
Люминесценцияны «сөндіретін» әсер жиі байқалады: люминесценция беретін буға иондалған газды қоссақ, резонанстық флуоресценция әлсіреуі мүмкін. Себебі қозған атом белгілі бір уақыт ішінде басқа молекуламен соқтығысып, өз энергиясын соған бере алады. Мұндайда молекуланың кинетикалық энергиясы артады, ал атом сәуле шығармай бастапқы күйге өтеді.
Фосфоресценция және метастабильді күйлер
Көпсатылы өтулер
Кейбір жүйелерде қозған күйден бастапқы күйге өту бірден болмайды: бөлшек аралық деңгейлер арқылы өтіп, белгілі бір сәтте ғана квант шығарады. Осындай көпсатылы өтулер әсіресе күрделі органикалық молекулаларда маңызды.
Метастабильді деңгейлер
Күрделі молекулаларда аралық, метастабильді деңгейлер пайда болуы мүмкін. Бұл деңгейлерден бастапқы күйге тікелей өту ықтималдығы төмен болғандықтан, сәуле шығару кешігеді — фосфоресценцияның негізгі белгілерінің бірі осы.
Қыздырудың әсері
Қоршаған бөлшектердің молекулалық-кинетикалық энергиясы (немесе жаңа фотонды жұту) есебінен молекула қайтадан жоғарырақ деңгейге өте алады. Осындай қайта-қоздыру тізбегі фосфоресценция механизмдерінің бірін құрайды. Қыздыру метастабильді деңгейден «шығу» мүмкіндігін арттырып, фосфоресценцияны күшейте алады.
Стокс заңы және анти-Стокс сәуле шығаруы
Фотолюминесценция үшін көбіне Стокс заңы орындалады: люминесценция спектрі қоздыру спектріне қатысты ұзын толқындар жағына ығысады (яғни шығарылған фотон энергиясы әдетте төмен болады).
Қайшылық байқалатын жағдайлар
Дегенмен кейбір тәжірибелерде қоздыру энергиясы мен сәуле шығару энергиясы арасында қарапайым сәйкестік байқалмайды, әсіресе фотолюминесценция монохроматтық жарықпен қоздырылғанда айқынырақ көрінеді. Мұндай ерекшеліктер процестің ішінде қосымша энергия алмасулар (жылулық қозу, көпсатылы өтулер) бар екенін көрсетеді.
Анти-Стокс сәуле шығаруы бөлшектердің бастапқыда-ақ белгілі бір дәрежеде қозған күйде болғанында, қосымша қоздыру нәтижесінде жоғары энергиялы фотон шығарумен сипатталады. Мысалы, бөлшек 2-деңгейден 1-деңгейге өткенде hv энергиясы бөлінеді.
Биомолекулалардағы флуоресценция және флуоресцентті зондтар
Қоршаған ортаға сезімтал параметр
Биологиялық маңызды молекулалардың ішінде, мысалы ақуыздарда, флуоресценция байқалады. Флуоресценция параметрлері (интенсивтілік, спектрдің ығысуы, өмір сүру уақыты) флуоресценция беретін молекуланы қоршаған ортаның құрылымына өте сезімтал. Сондықтан люминесценция арқылы химиялық құрылысты және молекулааралық әрекеттесулерді зерттеуге болады.
Зондтар мен белгілер
Соңғы жылдары мембраналық жүйелерге енгізілетін арнайы флуоресцентті молекулалар кең қолданылады. Оларды флуоресцентті зондтар немесе флуоресцентті белгілер деп атайды.
Нені анықтауға көмектеседі?
Белгілер мен зондтардың флуоресценциясының өзгеруі ақуыздар мен мембраналардағы құрылымдық және конформациялық өзгерістерді анықтауға мүмкіндік береді. Бұл тәсіл молекулалық деңгейдегі өзара әрекеттерді «көрінетін» етеді.
Медицинадағы қолданылуы
Фотолюминесценцияның медициналық және қолданбалы бағыттағы бірнеше маңызды қолданылуы бар. Мысалы, люминесцентті талдау объектілердің люминесценциясын өлшеуге сүйеніп, зерттеу мақсатына қарай түрлі міндеттерді шешеді.
- Өнімдердің бүлінуінің бастапқы кезеңдерін байқау
- Фармакологиялық препараттарды сұрыптау және сапасын бағалау
- Кейбір ауруларды диагностикалау
Кейбір әдістерде тері капиллярларының өткізгіштігін бағалау үшін тері астына арнайы зат енгізіліп, оның люминесценциясы арқылы өзгерістер бақыланады (мәтіннің бастапқы нұсқасында бұл ой үзінді күйінде берілген).