蛍光を理解する:定義、メカニズム、および応用|物理

蛍光は、原子が光を吸収し、より長い波長の光子を急速に放出するフォトルミネセンスです。

蛍光特定の材料が特定の種類の電磁放射、通常は紫外線 (UV) 光にさらされたときに、特定の材料が急速に (約 10 ～ 8 秒) 発光する現象です。蛍光材料はこの特性を発揮できるものです。科学レベルでは、蛍光は原子または分子による光子の吸収として定義でき、これによりそのエネルギーレベルが励起状態に上昇し、その後原子または分子が元の状態に戻るときに低エネルギーの光子が放出されます。蛍光を理解することは、医療画像診断や診断からエネルギー効率の高い照明や環境モニタリングに至るまで、さまざまな用途にとって重要です。

蛍光体の例

蛍光は自然界だけでなく、日用品にもよく見られます。蛍光物質の例をいくつか示します。

<オル>

植物や藻類の光合成色素であるクロロフィルは、スペクトルの赤い部分に蛍光のピークがあります。

一部の種類の蛍石、ダイヤモンド、方解石、琥珀、ルビー、エメラルドなど、多くの鉱物は紫外線下で蛍光を発します。

一部のサンゴ種には、光合成に使用される太陽光の吸収と利用に役立つ蛍光タンパク質が含まれています。

緑色蛍光タンパク質 (GFP) はクラゲ Aequorea victoria で最初に発見されました。現在では研究で広く使用されています。

石油は、くすんだ茶色から明るい黄色、青白色までさまざまな色の蛍光を発します。

トニックウォーターはキニーネの存在により蛍光を発します。

紙幣と切手には、セキュリティのため蛍光インクが使用されています。

一部の蛍光マーカーやハイライターは、ブラックライトの下で光ります。これは通常、ピラニンが存在するためです。

蛍光灯は、水銀蒸気管からの紫外線を吸収して可視光を放出する蛍光物質（蛍光体）でコーティングされたガラス管です。

洗濯洗剤や紙には、ブルーライトを放出する蛍光増白剤が含まれていることがよくあります。これにより、時間の経過とともに発生する黄ばみやくすみを防ぐことができます。

歴史

蛍光の発見は、イタリアの鉱物学者ベルナルディーノ・デ・サアグンがリグナム・ネフリチクムと呼ばれる注入液の現象を観察した1560年に遡ります。。 腎リグナム 蛍光酸化生成物を持つ化合物マトラリンを含む木から採取されます。「蛍光」という用語は、英国の科学者サージョージストークスによって 1852 年に造られました。ストークスは、紫外線照射下での蛍石とウランガラスの発光を観察し、研究しました。

蛍光の仕組み

蛍光は、材料が光子を吸収し、基底状態から励起状態に遷移するときに発生します。蛍光寿命と呼ばれる短い期間が経過すると、材料は基底状態に戻り、その過程でより低いエネルギーの光子を放出します。光子の放出は電子スピンの変化を引き起こしません（燐光では変化します）。吸収された光子と放出された光子の間のエネルギーの差は、励起状態中に失われるエネルギー (多くの場合熱として) に相当します。

このプロセスは次の段階で行われます。

<オル>

吸収 :原子または分子が入射光子を吸収します。 X 線やその他の高エネルギー放射線は吸収されるよりも化学結合を破壊する可能性が高いため、通常、これは可視光または紫外線です。

興奮 :光子は原子または分子をより高いエネルギーレベルに押し上げます。これを励起状態といいます。

興奮状態の存続期間 :分子は長時間励起状態を維持しません。それらは、励起状態から弛緩状態に向かってすぐに減衰し始めます。ただし、励起状態内からは非放射遷移と呼ばれるより小さなエネルギー降下が発生する可能性があります。 .

排出量 :分子は基底状態の 1 つまで下がり、光子を放出します。フォトンは、吸収されたフォトンよりも長い波長（より少ないエネルギー）を持ちます。

ジャブロンスキー図 は、これらのプロセスを、励起 (S1) 状態と一重項基底 (S0) 状態のエネルギー吸収と放出を示すグラフとして示しています。

ルール

蛍光における 3 つの有用な規則は、カーシャの法則、ストークスシフト、および鏡像規則です。

<オル>

カーシャのルール :この規則は、ルミネッセンスの量子収率が吸収された光の波長に依存しないことを示しています。つまり、入射光の色に関係なく、蛍光スペクトルは同じになります。ただし、単純な分子はこのルールに違反することがよくあります。

ストークスシフト :放出された光子の波長は、吸収された光よりも長いです。これは、通常は非放射減衰、または発蛍光団が基底状態のより高い振動レベルに低下することにより、エネルギー損失が発生するためです。

鏡像ルール :多くの蛍光色素分子の吸収スペクトルと発光スペクトルは互いの鏡像であり、吸収と発光の過程における電子遷移と振動遷移の関係を反映しています。

アプリケーション

自然界では、生物はコミュニケーション、配偶者誘引、獲物をおびき寄せる、カモフラージュ、紫外線防御などに蛍光を利用します。蛍光には、数多くの実用、商業、研究用途があります。

<オル>

医療画像処理と診断 :蛍光色素とタンパク質は、研究者が生きた細胞や組織内の特定の構造やプロセスを視覚化するのに役立ちます。

エネルギー効率の高い照明 :蛍光灯と LED は、より多くの入力エネルギーを可視光に変換できるため、従来の白熱電球と比べてエネルギー効率が高くなります。

環境モニタリング :蛍光センサーは、空気、水、土壌サンプル中の汚染物質や汚染物質を検出します。

フォレンジック :蛍光素材が指紋、生体サンプル、偽造通貨を検出します。

リサーチツール :蛍光マーカーとタグは、追跡とモニタリングのために分子生物学および細胞生物学において不可欠です

蛍光と燐光

蛍光と燐光はどちらもフォトルミネッセンスの一種です。蛍光はすぐに発生しますが、燐光はよりゆっくりと光を放出するため、燐光材料は暗闇の中で数秒から数時間発光することがよくあります。

蛍光 :材料は光子を吸収し、励起状態に遷移し、その後すぐに基底状態に戻り、その過程でより低エネルギーの光子を放出します。放射された光は、励起源が取り除かれるとほぼ即座に止まり、蛍光寿命は通常、ナノ秒からマイクロ秒の範囲です。
蓄光 :燐光では、吸収されたエネルギーにより、電子は三重項状態として知られる、スピン多重度が異なる準安定状態に遷移します。基底状態への遷移はスピン禁止されているため、電子が元の状態に戻るのに時間がかかります。その結果、励起源が取り除かれた後も、燐光は数ミリ秒から数時間持続します。

蛍光と生物発光の違い

蛍光と生物発光は両方とも光を発しますが、持続時間とメカニズムが異なります。

蛍光 :蛍光はフォトルミネッセンスの一種です。これは、材料が外部ソースからエネルギーを吸収した後に光を放射する物理プロセスです。光の放出はほぼ即座に行われ、エネルギー源を取り除くと発光は継続しません。
生物発光 :対照的に、生物発光は、生物体内で発生する化学発光の一種です。これには、化学反応の結果としての光の生成と放出が含まれます。この反応には通常、基質 (ルシフェリンなど) と、基質の酸化を触媒して光の形でエネルギーを放出する酵素 (ルシフェラーゼなど) が関与します。生物発光は、紫外線などの外部エネルギー源を必要としません。反応が続く限り光を放出します。このプロセスは、ホタル、特定の海洋生物、一部の菌類など、さまざまな生物で発生します。

参考文献

ハリス、ダニエル C. (2004)。 化学分析の探索 。マクミラン。 ISBN 978-0-7167-0571-0。
ストークス、G.G. （1852年）。「光の難燃性の変化について」 ロンドン王立協会の哲学取引 。 142:463–562、特に。 479. doi:10.1098/rstl.1852.0022
ツィエン、R.Y. (1998)。「緑色蛍光タンパク質」。 生化学の年次レビュー 。 67:509–544。 doi:10.1146/annurev.biochem.67.1.509
ヴァルール、B.;ベルベランサントス、M.R.N. （2011年）。「量子論が出現する前の蛍光と燐光の簡単な歴史」。 化学教育ジャーナル 。 88 (6):731–738。土井:10.1021/ed100182h