Fluorescence
Obsah boxu
Fluorescence je typ luminiscence, při kterém látka (tzv. fluorofor) pohltí foton elektromagnetického záření (typicky ultrafialového nebo viditelného světla) a téměř okamžitě vyzáří foton o delší vlnové délce (a tedy nižší energii). Proces emise světla je velmi rychlý, obvykle v řádu nanosekund po absorpci. Tento jev je základem mnoha moderních technologií od zářivek a LED osvětlení přes fluorescenční mikroskopii až po bezpečnostní prvky na bankovkách.
Název jevu odvodil v roce 1852 irský fyzik Sir George Gabriel Stokes od minerálu fluorit, u kterého tento jev pozoroval. Fluorescence se liší od fosforescence, kde emise světla přetrvává po delší dobu (od milisekund po hodiny) i po ukončení buzení.
⚛️ Fyzikální princip
Základní mechanismus fluorescence lze nejlépe popsat pomocí Jablonského diagramu, který znázorňuje energetické stavy molekuly a přechody mezi nimi.
📜 Jablonského diagram
Jablonského diagram je zjednodušené schéma elektronových energetických hladin v molekule.
- Excitace (Absorpce): Proces začíná pohlcením (absorpcí) fotonu molekulou. Energie fotonu musí odpovídat rozdílu energií mezi základním elektronovým stavem (S₀) a některým z vyšších (excitovaných) singletových stavů (S₁, S₂, atd.). Tento přechod je velmi rychlý, trvá přibližně 10⁻¹⁵ sekundy. Elektron je "vyzdvižen" na vyšší energetickou úroveň.
- Vibrační relaxace a vnitřní konverze: Molekula v excitovaném stavu (např. S₂) je nestabilní a má tendenci rychle ztrácet energii. Činí tak nezářivými procesy. Přebytečná vibrační energie je předána okolním molekulám ve formě tepla (vibrační relaxace). Pokud je molekula ve vyšším excitovaném stavu (S₂), může přejít do nižšího excitovaného stavu (S₁) procesem zvaným vnitřní konverze. Tyto procesy jsou také velmi rychlé (10⁻¹² s) a nezahrnují emisi světla. Molekula se tak téměř vždy ocitne na nejnižší vibrační hladině prvního excitovaného stavu S₁.
- Emise (Fluorescence): Z nejnižší vibrační úrovně excitovaného stavu S₁ se elektron vrací zpět do některého z vibračních stavů základního stavu S₀. Při tomto přechodu je vyzářen foton. Protože během vibrační relaxace došlo ke ztrátě části energie, vyzářený foton má nižší energii (a delší vlnovou délku) než foton, který byl původně pohlcen. Tento proces trvá typicky 10⁻⁹ až 10⁻⁷ sekundy.
Pokud by se elektron ze singletového stavu S₁ dostal do tzv. tripletového stavu T₁ (procesem zvaným mezisystémový přechod), následná emise světla by byla mnohem pomalejší a jednalo by se o fosforescenci.
🌊 Stokesův posun
Rozdíl mezi vlnovou délkou absorbovaného (excitačního) a emitovaného (fluorescenčního) světla se nazývá Stokesův posun (nebo také Stokesův posuv). Je pojmenován po Georgi G. Stokesovi, který tento jev poprvé popsal v roce 1852. Existence Stokesova posunu je klíčová pro praktické využití fluorescence, protože umožňuje snadno oddělit slabší emitované světlo od mnohem intenzivnějšího excitačního světla pomocí optických filtrů.
⚙️ Kvantový výtěžek a doba života
Ne každá excitovaná molekula vyzáří foton. Může se vrátit do základního stavu i jinými, nezářivými cestami (např. předáním energie jiné molekule). Dvěma klíčovými parametry popisujícími fluorescenční proces jsou:
- Kvantový výtěžek (Φ): Poměr počtu emitovaných fotonů k počtu absorbovaných fotonů. Hodnoty se pohybují od 0 do 1 (nebo 0 % až 100 %). Látky s vysokým kvantovým výtěžkem (např. fluorescein nebo rhodamin) jsou velmi jasné a používají se jako fluorescenční značky.
- Doba života fluorescence (τ): Průměrná doba, po kterou zůstává molekula v excitovaném stavu před vyzářením fotonu. Typicky se pohybuje v řádu nanosekund.
📜 Historie objevů
První pozorování fluorescence jsou připisována Bernardinu de Sahagún v 16. století, který popsal zářící odvar z dřeva Lignum nephriticum. V 19. století se jevu začali věnovat vědci systematičtěji.
- Sir David Brewster v roce 1833 popsal "vnitřní disperzi" v roztoku chlorofylu, což byla ve skutečnosti jeho červená fluorescence.
- Sir John Herschel v roce 1845 pozoroval modrou záři v roztoku chininu, když na něj dopadalo sluneční světlo.
- Sir George Gabriel Stokes v roce 1852 provedl sérii klíčových experimentů s fluoritem a roztokem chininu. Zjistil, že emitované světlo má delší vlnovou délku než světlo excitační, a jev pojmenoval "fluorescence" podle minerálu fluoritu. Správně také postuloval, že se jedná o emisi světla po absorpci.
Fyzikální podstata jevu byla plně vysvětlena až s příchodem kvantové mechaniky ve 20. století, kdy Aleksander Jabłoński navrhl svůj diagram energetických stavů.
🔬 Aplikace a využití
Fluorescence má mimořádně široké uplatnění v mnoha oblastech vědy, techniky i každodenního života.
💡 Osvětlovací technika
- Zářivky: Klasické zářivky jsou nízkotlaké rtuťové výbojky. Elektrický výboj v parách rtuti produkuje ultrafialové záření, které je pro lidské oko neviditelné. Vnitřní stěna trubice je pokryta vrstvou luminoforu, který toto UV záření absorbuje a díky fluorescenci jej přemění na viditelné světlo.
- LED žárovky: Většina bílých LED diod funguje na principu fluorescence. Samotná dioda emituje modré světlo, které dopadá na vrstvu žlutého luminoforu. Část modrého světla projde a část je luminoforem přeměněna na žluté světlo. Smícháním těchto dvou barev vzniká bílé světlo.
🧬 Analytická chemie a biologie
- Fluorescenční spektroskopie: Metoda, která měří fluorescenční spektrum látky. Používá se k identifikaci a kvantifikaci látek v nízkých koncentracích.
- Fluorescenční mikroskopie: Klíčová technika v molekulární biologii a medicíně. Umožňuje vizualizovat specifické struktury v buňkách (např. organely, proteiny, DNA) pomocí fluorescenčních značek (fluoroforů). Zelený fluorescenční protein (GFP) a jeho varianty způsobily revoluci v biologickém výzkumu, protože umožňují sledovat proteiny v živých buňkách.
- Průtoková cytometrie: Metoda pro analýzu a třídění buněk. Buňky označené fluorescenčními protilátkami procházejí laserovým paprskem a jejich fluorescence je detekována, což umožňuje určit jejich typ a počet.
- Sekvenování DNA: Moderní metody, jako je Sangerovo sekvenování, využívají fluorescenčně značené nukleotidy k určení pořadí bází v molekule DNA.
🛡️ Bezpečnostní prvky
Mnoho bankovek (Euro, americký dolar) a oficiálních dokumentů (cestovní pas) obsahuje fluorescenční vlákna nebo inkousty, které jsou viditelné pouze pod UV světlem. Slouží jako ochrana proti padělání.
💎 Geologie a mineralogie
Některé minerály, jako fluorit, kalcit nebo scheelit, vykazují charakteristickou fluorescenci pod UV světlem, což pomáhá při jejich identifikaci.
🎨 Zábavní průmysl a spotřební zboží
- Zvýrazňovače: Inkoust ve zvýrazňovačích obsahuje fluorescenční barviva, která absorbují neviditelné UV záření a modrou část viditelného světla a emitují je ve žluté nebo zelené barvě, čímž se text jeví jasnější než okolí.
- "Černé světlo": UV lampy používané na diskotékách a v zábavních parcích způsobují, že bílé oblečení (obsahující optické zjasňovače) a speciální barvy intenzivně září.
🌿 Fluorescence v přírodě
Biofluorescence je schopnost živých organismů absorbovat světlo jedné vlnové délky a emitovat ho na jiné.
- Mořský život: Mnoho druhů korálů, ryb, medúz a krevet je fluorescentních. Předpokládá se, že fluorescence jim slouží ke komunikaci, maskování nebo jako ochrana před slunečním zářením.
- Štíri: Kutikula štírů obsahuje chemikálie, které způsobují, že pod UV světlem jasně modrozeleně září. Funkce tohoto jevu není zcela objasněna.
- Rostliny: Chlorofyl, klíčový pigment pro fotosyntézu, vykazuje červenou fluorescenci. Měření této fluorescence se používá ke sledování zdraví rostlin a efektivity fotosyntézy.
↔️ Vztah k jiným jevům
Fosforescence
Fluorescence je často zaměňována s fosforescencí. Hlavní rozdíly jsou:
- Rychlost: Fluorescence je téměř okamžitá (nanosekundy), zatímco fosforescence je mnohem pomalejší proces (milisekundy až hodiny) a světlo je emitováno i po odstranění zdroje buzení.
- Mechanismus: U fluorescence dochází k přechodu mezi dvěma singletovými stavy (S₁ → S₀). U fosforescence dochází k přechodu z excitovaného tripletového stavu (T₁) do základního singletového stavu (S₀), což je kvantově-mechanicky "zakázaný" přechod, a proto je mnohem pomalejší.
Ramanův rozptyl
Ramanův rozptyl je další jev, při kterém dochází ke změně vlnové délky světla po interakci s hmotou. Na rozdíl od fluorescence, kde je foton skutečně pohlcen a po určité době emitován jiný, u Ramanova rozptylu jde o nepružný rozptyl, kdy foton předá nebo získá energii z vibračních stavů molekuly, aniž by byl absorbován do excitovaného elektronového stavu. Tento jev je mnohem slabší než fluorescence.
💡 Pro laiky: Jak fluorescence funguje?
Představte si molekulu jako malý stroj, který umí pohlcovat a vydávat světlo. 1. Na molekulu dopadne "balíček" světelné energie (foton), například z UV lampy. Tento balíček má hodně energie. 2. Molekula energii "spolkne" a dostane se do nabuzeného, nestabilního stavu. Je to jako natáhnout pružinu na maximum. 3. Než stihne něco udělat, část této energie ztratí jako teplo – trochu se "otřese" a uklidní. Pružina se malinko povolí. 4. Nakonec se molekula vrátí do svého původního, klidového stavu. Přitom uvolní zbývající energii ve formě nového světelného balíčku (fotonu). 5. Protože část energie už ztratila jako teplo, nový světelný balíček má méně energie než ten původní. Světlo s menší energií má pro naše oči jinou barvu (například neviditelné UV světlo se změní na viditelné modré nebo zelené).
Celý tento proces se odehraje neuvěřitelně rychle, za méně než miliardtinu sekundy. Proto látka svítí jen tehdy, když na ni svítí zdroj (např. UV lampa).