Mis on fluorestsentsspektroskoopia?
Fluorestsentsspektroskoopia analüüsib molekulide fluorestsentsi nende fluorestsentsomaduste põhjal.
Fluorestsents on luminestsents, mis tekib siis, kui molekul ergastatakse footoniga elektrooniliselt ergastatud olekusse, et naasta põhiolekusse.
Fluorestsentsspektroskoopia kasutab valguskiirt, et ergutada elektrone teatud ühendi molekulides ja panna need kiirgama valgust. Valgus läbib monokromaatorit ja siseneb detektorisse, kus see tuvastatakse, mida kasutatakse molekulide või molekulide muutuste mõõtmiseks ja tuvastamiseks.
Sissejuhatus püsivasse fluorestsentsi{0}}olekuspektroskoopiasse ja eluaegsesse testimisse
Fluorestsents viitab üldiselt luminestsentsi nähtusele, molekulide kiirgavale valgusele. Sära on mitut tüüpi.
Fotoluminestsents on valgusenergia või footonite poolt ergastatud footonite emissioon.
Kemiluminestsents, defineeritud kui keemilise energiaga ergastatud footonite luminestsents, hõlmab bioluminestsentsi, nagu on näha tulikärbestel ja paljudel mereelustikel.
Elektroluminestsents on footonite emissioon, kui elektrienergia või tugev elektriväli stimuleerib footoneid, näiteks mõnes valgustusrakenduses.
Täpsemalt on fluorestsents fotoluminestsentsi tüüp, kus valgus paneb elektronid ergastatud olekusse. Ergastatud olek kaotab vibratsiooni kaudu kiiresti soojusenergiat keskkonda ja kiirgab seejärel madalaimast üksikust ergastatud olekust footoneid. See footonite emissiooniprotsess konkureerib teiste mittekiirguslike protsessidega, sealhulgas energiaülekanne ja soojuskadu.
Kui kasutatakse terminit "fluorestsents", kehtib sama mõõtmismeetod üldiselt kõigi ülaltoodud luminestsentsi klasside kohta.
Mis on fluorestsentsspektroskoopia?
Fluorestsentsi ergastus- ja emissioonispektrid peegeldavad üksteist. Fluorestsentsspektroskoopia kasutab emissiooni ja ergastust, et näha, kuidas proov muutub.
Joonis 1: Fluorestsentsi ergastusspekter (sinine) ja emissioonispekter (lilla) on teineteise peegelpildid
Püsiseisundi-fluorestsentsspektroskoopia on siis, kui molekul fluorestseerub konstantse valgusallika poolt ergastamisel ja emiteeritud footonid või intensiivsus tuvastatakse lainepikkuse funktsioonina. Fluorestsentsi emissioonispekter on siis, kui ergastuse lainepikkus on fikseeritud, emissiooni lainepikkust skaneeritakse ning saadakse seos intensiivsuse ja emissiooni lainepikkuse vahel.
Fluorestsentsi ergastusspekter on siis, kui emissiooni lainepikkus on fikseeritud, muutes ergastuse monokromaatori lainepikkust, skaneerides intensiivsust erinevatel lainepikkustel. Sel viisil annab spekter teavet proovi ja absorptsiooni lainepikkuste kohta, et valida emissiooni tuvastamiseks optimaalne ühe emissiooni lainepikkus. See sarnaneb absorptsioonspektroskoopiaga, kuid on tuvastamispiiride ja molekulaarse spetsiifilisuse osas tundlikum tehnika. Ergastusspektrid on spetsiifilised ühele emissioonilainepikkusele/liigile, võrreldes kõigi mõõtelahuses või proovis olevate neelduvate liikide neeldumisspektriga. Antud fluorofoori emissiooni- ja ergastusspektrid on üksteise peegelpildid. Tavaliselt ilmuvad emissioonispektrid kõrgematel lainepikkustel (madalamad energiad) kui ergastus- või neeldumisspektrid
Neid kahte spektritüüpi (emissioon ja ergastus) kasutatakse valimi muutumise jälgimiseks. Spektri intensiivsus ja tipplainepikkus võivad varieeruda sõltuvalt muutujatest, nagu temperatuur, kontsentratsioon või vastastikmõjud ümbritsevate molekulidega. See hõlmab kustutavaid molekule ja molekule või materjale, mis on seotud energiaülekandega. Mõned fluorofoorid on tundlikud lahustikeskkonna omaduste suhtes, nagu pH, polaarsus ja teatud ioonide kontsentratsioonid.
Mis tüüpi molekulidel või materjalidel on fluorestsents?
Mõnede levinud fluorofooride fluorestsentsi emissioonispektrid. Fluorofoorid mängivad fluorestsentsspektroskoopias keskset rolli ja muudavad seda tüüpi spektroskoopiast väga tundlikuks tehnikaks.
Joonis 2: Mõnede levinud fluorofooride fluorestsentsi emissioonispektrid üle UV- ja nähtava spektri
Fluorestseeruvad molekulid ja materjalid on igasuguse kuju ja suurusega. Mõned neist on oma olemuselt fluorestseeruvad, näiteks klorofüll ja aminohappejäägid trüptofaan (Trp), fenüülalaniin (Phe) ja türosiin (Tyr). Teised on molekulid, mis on sünteesitud stabiilsete orgaaniliste värvainete või märgistena, mida saab lisada teistele mittefluorestseeruvatele süsteemidele. Üldiselt on orgaanilistel fluorestseeruvatel molekulidel struktuursed tunnused, nagu aromaatsed tsüklid ja π-konjugeeritud elektronid. Sõltuvalt nende suurusest ja struktuurist kiirgavad orgaanilised värvained valgust ultraviolettkiirgusest lähiinfrapunani.
Allpool on mõned juhuslikud tavalised fluorofoorid, mille emissiooni võib näha UV{0}}Vis vahemiku ulatuses. Mõnede haruldaste muldmetallide elementide (nt lantaniidide) puhul toimuvad kõrgemate elektronide orbitaalide täitmise tõttu metalliligandidelt laengu ülekandest tingitud elektroonilised üleminekud 4f-5d või isegi 4f-4f orbitaalide vahel. (Bunzli, 1989) Looduses on palju valgust kiirgavaid molekule, näiteks mõned aminohapped, klorofüll ja looduslikud pigmendid. Teised on aga hoolikalt kavandatud spetsiaalseks fluorestsentsspektroskoopias kasutamiseks
Fluorestseeruvate molekulide ja materjalide näited:
Aminohapped (Trp, Phe, Tyr)
Aluspaaride derivaadid (2-AP, 3-MI, 6-MI, 6-MAP, pürrool-c, tC)
klorofüll
Fluorestseeruvad valgud (FP)
Orgaanilised värvained (fluorestseiin, rodamiin, n-aminokumariinid ja nende derivaadid)
Haruldased muldmetallid (Lanthanides)
pooljuht
kvantpunktid
ühe-seinaga süsinik-nanotorud
Päikesepatarei
Pigment, galvaniseerimine
luminofoor
Veel…
Tavaliselt kasutatakse fluorestseeruvateks proovideks muid molekule ja materjale, nagu fluorestseeruvad valgud, pooljuhid, fosforid ja haruldased muldmetallid. Konjugeeritud aromaatseid süsivesinikke või dieene sisaldavatel polümeeridel on sageli ka fluorestseeruvad omadused. Muidugi on teadlased tegelenud ka uute materjalide loomisega.
