Mikä on fluoresenssispektroskopia?
Fluoresenssispektroskopia analysoi molekyylien fluoresenssia niiden fluoresoivien ominaisuuksien perusteella.
Fluoresenssi on luminesenssi, joka tapahtuu, kun molekyyli viritetään fotonilla elektronisesti viritettyyn tilaan palatakseen perustilaan.
Fluoresenssispektroskopia käyttää valonsädettä elektronien virittämiseen tietyissä yhdistemolekyyleissä ja saamaan ne säteilemään valoa. Valo kulkee monokromaattorin läpi ja menee detektoriin, jossa se havaitaan ja jota käytetään molekyylien tai molekyylien muutosten mittaamiseen ja tunnistamiseen.
Johdatus fluoresenssin vakaaseen{0}}tilaspektroskopiaan ja elinikäiseen testaukseen
Fluoresenssi viittaa laajasti luminesenssin ilmiöön, molekyylien lähettämään valoon. Hehkuja on useita tyyppejä.
Fotoluminesenssi on valoenergian tai fotonien virittämien fotonien emissio.
Kemiluminesenssi, joka määritellään kemiallisen energian virittämien fotonien luminesenssiksi, sisältää bioluminesenssin, joka näkyy tulikärpäsissä ja monissa meren eliöstöissä.
Elektroluminesenssi on fotonien emission, kun sähköenergia tai voimakas sähkökenttä stimuloi fotoneja, kuten joissakin valaistussovelluksissa.
Tarkemmin sanottuna fluoresenssi on eräänlainen fotoluminesenssi, jossa valo asettaa elektronit virittyneeseen tilaan. Herätetty tila menettää nopeasti lämpöenergiaa ympäristöön värähtelyn kautta ja lähettää sitten fotoneja alimmasta singlettivirittyneestä tilasta. Tämä fotoniemissioprosessi kilpailee muiden ei-säteilyttävien prosessien kanssa, mukaan lukien energiansiirto ja lämpöhäviö.
Kun käytetään termiä "fluoresenssi", sama mittausmenetelmä pätee yleensä mihin tahansa yllä olevista luminesenssiluokista.
Mikä on fluoresenssispektroskopia?
Fluoresenssiviritys- ja emissiospektrit heijastavat toisiaan. Fluoresenssispektroskopia käyttää emissiota ja viritystä nähdäkseen, kuinka näyte muuttuu.
Kuva 1: Fluoresenssin viritysspektri (sininen) ja emissiospektri (violetti) ovat toistensa peilikuvia
Tasaisen tilan-fluoresenssispektroskopia on, kun molekyyli fluoresoi jatkuvan valonlähteen virityksessä ja emittoidut fotonit tai intensiteetti havaitaan aallonpituuden funktiona. Fluoresenssiemissiospektri on, kun virityksen aallonpituus on kiinteä, emissioaallonpituus skannataan ja intensiteetin ja emissioaallonpituuden välinen suhde saadaan.
Fluoresenssin viritysspektri on, kun emissioaallonpituus on kiinteä, muuttamalla viritysmonokromaattorin aallonpituutta, skannaamalla intensiteettiä eri aallonpituuksilla. Tällä tavalla spektri tarjoaa tietoa näytteen ja absorptioaallonpituuksista optimaalisen yksittäisen emission aallonpituuden valitsemiseksi emission havaitsemiseksi. Se on samanlainen kuin absorptiospektroskopia, mutta se on herkempi tekniikka havaitsemisrajojen ja molekyylispesifisyyden suhteen. Viritysspektrit ovat spesifisiä yhdelle emissioaallonpituudelle/lajille suhteessa kaikkien mittausliuoksen tai -näytteen absorboivien lajien absorptiospektriin. Tietyn fluoroforin emissio- ja viritysspektrit ovat toistensa peilikuvia. Tyypillisesti emissiospektrit näkyvät korkeammilla aallonpituuksilla (pienemmillä energioilla) kuin viritys- tai absorptiospektrit
Näitä kahta spektrityyppiä (emissio ja viritys) käytetään näytteen muutosten tarkkailuun. Spektrin intensiteetti ja huippuaallonpituus voivat vaihdella muuttujien, kuten lämpötilan, pitoisuuden tai vuorovaikutuksen ympäröivien molekyylien kanssa, mukaan. Tämä sisältää sammuttavat molekyylit ja molekyylit tai materiaalit, jotka osallistuvat energian siirtoon. Jotkut fluoroforit ovat herkkiä liuotinympäristön ominaisuuksille, kuten pH:lle, polariteetille ja tietyille ionipitoisuuksille.
Millaiset molekyylit tai materiaalit osoittavat fluoresenssia?
Joidenkin yleisten fluoroforien fluoresenssiemissiospektrit. Fluoroforeilla on keskeinen rooli fluoresenssispektroskopiassa ja ne tekevät tämäntyyppisestä spektroskopiasta erittäin herkän tekniikan.
Kuva 2: Joidenkin yleisten fluoroforien fluoresenssiemissiospektrit UV- ja näkyvän spektrin poikki
Fluoresoivia molekyylejä ja materiaaleja on kaikenmuotoisia ja -kokoisia. Jotkut ovat luonnostaan fluoresoivia, kuten klorofylli ja aminohappotähteet tryptofaani (Trp), fenyylialaniini (Phe) ja tyrosiini (Tyr). Toiset ovat molekyylejä, jotka syntetisoidaan stabiileina orgaanisina väriaineina tai tunnisteina, jotka voidaan lisätä muihin ei--fluoresoiviin järjestelmiin. Yleensä orgaanisilla fluoresoivilla molekyyleillä on rakenteellisia piirteitä, kuten aromaattisia renkaita ja π-konjugoituja elektroneja. Orgaanisten väriaineiden koosta ja rakenteesta riippuen ne lähettävät valoa aallonpituuksilla, jotka vaihtelevat ultraviolettisäteilystä lähiinfrapunaan.
Alla on joitain satunnaisia yleisiä fluoroforeja, joiden emission voidaan nähdä ulottuvan UV{0}}Vis-alueelle. Joillekin harvinaisten maametallien alkuaineille, kuten lantanideille, johtuu korkeampien elektronien kiertoradan täyttymisestä, metalliligandeista varauksensiirrosta johtuvia elektronisia siirtymiä tapahtuu 4f-5d- tai jopa 4f-4f-kiertoradan välillä. (Bunzli, 1989) Luonnossa on monia valoa säteileviä molekyylejä, kuten jotkin aminohapot, klorofylli ja luonnolliset pigmentit. Toiset taas on huolellisesti suunniteltu fluoresenssispektroskopian erikoiskäyttöihin
Esimerkkejä fluoresoivista molekyyleistä ja materiaaleista:
Aminohapot (Trp, Phe, Tyr)
Emäsparijohdannaiset (2-AP, 3-MI, 6-MI, 6-MAP, pyrroli-c, tC)
klorofylli
Fluoresoivat proteiinit (FP)
Orgaaniset väriaineet (fluoreseiini, rodamiini, n-aminokumariinit ja niiden johdannaiset)
Harvinaiset maametallit (Lanthanides)
puolijohde
kvanttipisteet
yksiseinäisiä-hiilinanoputkia
Aurinkoenergiaakku
Pigmentti, Galvanointi
loisteaine
Lisää…
Muut molekyylit ja materiaalit, kuten fluoresoivat proteiinit, puolijohteet, loisteaineet ja harvinaiset maametallit, ovat yleisesti käytettyjä fluoresoivia näytteitä. Polymeereillä, jotka sisältävät konjugoituja aromaattisia hiilivetyjä tai dieenejä, on usein myös fluoresoivia ominaisuuksia. Tietysti tutkijat ovat työstäneet myös uusien materiaalien luomista.
