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蛍光

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蛍光性鉱物

蛍光は、冷たい物体の光学現象として主に見られる発光で、ある波長の光子の分子吸収をきっかけに、より波長の長い別の光子が放出される現象である。 蛍光を発する物質を蛍光体という。 吸収された光子と放出された光子のエネルギー差は、最終的に分子の振動や熱となる。 通常、吸収された光子は紫外域で、放出された光は可視域ですが、これは使用する蛍光体などによって異なります。

蛍光は、この現象をよく示すフッ化カルシウムからなる鉱物、蛍石にちなんで名づけられました。 他にもさまざまな鉱物や有機物が蛍光を発し、さまざまな用途に利用されています。 例えば、蛍光は分析化学や生化学の分野で分子を照らしたり、タグを付けるのに有効である。 蛍光体は、細胞、抗体、その他の生物学的構造を標識し、その構造や作用機序を決定するために使用されてきた。

蛍光材料の例

宝石、鉱物、繊維、および法医学で遭遇する、またはさまざまな収集品に関係する他の多くの材料は、独特の蛍光を持つか、短波紫外線、長波紫外線、またはX線の下で異なる蛍光を発する可能性があります。 ルビー、エメラルド、ホープダイヤモンドは短波長の紫外線で赤い蛍光を発します。

原油（石油）は、重油やタールの鈍い茶色から、非常に軽い油や凝縮物の明るい黄色や青白い色まで、さまざまな色で蛍光を発します。

アントラセンとベンゼンやトルエン、スチルベンの混合溶媒などの有機液体は、紫外線やガンマ線の照射によって蛍光を発します。 この蛍光の減衰時間は、光の持続時間が蛍光物質（この場合はアントラセンやスチルベン）の励起状態の寿命に依存するため、ナノ秒のオーダーとなる。

応用例

蛍光を示す天然および合成化合物は数多くあり、それらは多くの応用例を持っています。 アオサなどの深海生物も蛍光を利用しています。

照明

一般的な蛍光管は、蛍光を利用しています。 ガラス管の中は部分的に真空で、少量の水銀が入っています。 管内の放電により、水銀原子が発光する。 この光は紫外線（UV）領域で、目に見えず、ほとんどの生物に有害である。 蛍光体は紫外線を吸収し、可視光線を放出する性質があるため、管内には蛍光体が塗布されている。 蛍光灯は白熱灯に比べて非常にエネルギー効率が高いのですが、発生するスペクトルのせいで、特定の色が不自然に見えることがあります。 一般に、実際の発光半導体はスペクトルの青い部分を生成し、それがチップ上に蒸着された蛍光体化合物に当たると、蛍光体はスペクトルの緑から赤の部分で蛍光を発します。 蛍光体を通過した青色光と蛍光体から発せられる光の組み合わせにより、白色光が得られる。

現代の水銀灯は、蛍光灯から進化したと言われている。

グロースティックは、シュウ酸フェニルエステルを酸化して光を発生する。 セルフバラステッドで、ほとんどの用途で白熱灯の代わりに使用されます。 ルーメンあたりの熱量は白熱電球の4分の1で、寿命は約5倍です。

分析化学

HPLCフローから化合物を検出するために、いくつかの波長の蛍光をアレイ検出器で検出することができます。 4687>

生化学・医学

簡単な化学反応により、生体分子に蛍光性化学基（フルオロフォア）をタグ付けし、その蛍光により分子を高感度で定量的に検出することができるようになった。 例えば、

  • 組織、細胞、または細胞内構造の蛍光顕微鏡検査は、抗体を蛍光体で標識し、抗体がサンプル内の標的抗原を見つけることによって達成されます。
  • 鎖終結法によるDNAの自動塩基配列決定：4つの異なる鎖終結塩基がそれぞれ固有の蛍光タグを持っている。 標識されたDNA分子が分離されると、蛍光標識が紫外線源によって励起され、放出された光の波長によって分子を終端する塩基の同一性が識別される。
  • DNA検出：臭化エチジウム化合物は、溶液中で自由にその構造を変化させても、ほとんど蛍光を発しない。 臭化エチジウムの蛍光はDNAに結合すると大きく増強されるので、この化合物はアガロースゲル電気泳動におけるDNA断片の位置を可視化するのに非常に有用である。 エチジウムブロマイドは毒性があるので、より安全な代替色素はSYBR Greenです。
  • DNAマイクロアレイ
  • 免疫学
  • FACS (fluorescent-activated cell sorting)
  • 蛍光は、オングストロームレベルで距離を測定する蛍光共鳴エネルギー移動などの技術により、DNAやタンパク質の構造とコンフォメーションの研究に使用されてきました。
  • クラゲのオワンクラゲに含まれるイクオリンは、Ca2+イオンが存在すると（化学反応により）青い光を発します。 これを用いて、細胞内のカルシウムの流れをリアルタイムで画像化した。 イクオリンの成功は、オワンクラゲのさらなる研究に拍車をかけ、緑色蛍光タンパク質（GFP）の発見へとつながり、非常に重要な研究ツールとなったのです。 GFPとその関連タンパク質は、細胞内局在など、あらゆる生物学的事象のレポーターとして使用されます。 また、多くの生体分子には固有の蛍光があり、化学的なタグを付けなくても利用できる場合があります。 この固有蛍光は、分子が特定の環境に置かれると変化するので、分子の分布や結合状態を測定できることがあります。 例えば、ビリルビンは、血清アルブミンの特定の部位に結合すると強い蛍光を発する。 亜鉛プロトポルフィリンは、鉄が利用できないときや鉛が存在するときにヘモグロビンの代わりに発達中の赤血球で形成されるが、明るい蛍光を発するので、これらの問題の検出に利用できる。

    2006年現在、バイオメディカル生物科学および関連科学の分野で蛍光応用が拡大している。 これらの分野での分析方法も、以下のような頭字語の形で、ますます残念な命名法ではあるが、成長している。 FLIM, FLI, FLIP, CALI, FLIE, FRET, FRAP, FCS, PFRAP, smFRET, FIONA, FRIPS, SHREK, SHRIMP, TIRF などの略称で呼ばれています。 これらの手法のほとんどは、蛍光顕微鏡に依存している。 これらの顕微鏡は、通常、水銀灯やキセノンランプ、LED、レーザーなどの高輝度光源を使用して、観察中の試料の蛍光を励起する。 励起光と蛍光を光学フィルターで分離し、目視や（CCD）カメラなどの光検出器（光電子増倍管、分光器など）で検出する。 このような顕微鏡の性能、使用する蛍光プローブの性能、応用の可能性を高めるために、多くの研究が行われている。

    安全性

    蛍光灯は白熱電球やハロゲン電球に比べて廃熱量がはるかに少ない。 ハロゲン電球は火災が多く、白熱電球も廃熱のため、蛍光灯より火災の危険性が高い。 また、ランプは不意に倒れたり、地震などで倒れることがあります。 そのため、蛍光灯を使用することは、不慮の火災を防止する手段ともなります。

    理論的考察

    光化学

    蛍光は分子や量子ドットが電子的に励起された後、基底状態まで緩和するときに起こる

    励起。 S 0 + h ν → S 1 {displaystyle S_{0}+hnu \to S_{1}}

    蛍光（発光）。 S 1 → S 0 + h ν {displaystyle S_{1}to S_{0}+h}nu }. , ここで h ν {displaystyle hnu }. は光子エネルギーの総称で、h = プランク定数、ν {displaystyle \nu } とする。 ＝光の周波数。 (

    状態S0は蛍光体（蛍光分子）の基底状態と呼ばれ、S1はその最初の（電子的な）励起状態である。 励起エネルギーが熱（振動）として溶媒に散逸する「非放射性緩和」を起こすことができる。 また、励起された有機分子は、三重項状態への変換によって緩和することができ、その後、燐光によって緩和するか、二次的な非放射性緩和の段階を経て緩和することができる。 分子酸素（O2）は、その珍しい三重項基底状態のため、極めて効率的に蛍光を消光します。

    光の吸収または別のプロセス（例えば、反応の生成物として）で励起された分子は、エネルギーを第2の「増感」分子に伝達し、その励起状態に変換して蛍光を発することができます。 4687>

    蛍光量子収率

    蛍光量子収率は、蛍光プロセスの効率性を示すものです。 Φ = # p h o t o n s e m i t t e d # p h o t o n s a b s o r b e d {displaystyle \Phi ={frac {rm {} {} photons emitted}}{rm {} photons absorbed}}}} } } Φ = {frac {} photons emitted {} {} photons absorbed {} {} {} {} {} {} Φ = {} {} ph #Photon {} Φ = {Photon emits #} {Photon absorits

    蛍光量子収率の最大値は1.0（100％）であり、吸収された光子はすべて放出された光子になる。 量子収率が0.10の化合物は、まだかなり蛍光が強いと考えられます。 蛍光の量子収率を定義する別の方法として、励起状態崩壊率によるものがある：

    k f ∑ i k i {}displaystyle {frac {{k}_{f}}{sum _{i}{k}_{i}}}

    ここで、k f {displaystyle {k}_{f}} は。 は放射線の自然放出率、

    ∑ i k i {displaystyle \sum _{i}_k}_{i}} は放射線の自然放出率です。

    は励起状態崩壊のすべての割合の総和である。 励起状態崩壊の他の割合は、光子放出以外のメカニズムによって引き起こされるため、しばしば「非輻射率」と呼ばれ、動的衝突消光、近接場双極子-双極子相互作用（または共鳴エネルギー移動）、内部変換およびシステム間交差を含むことができる：。

    蛍光量子収率は、量的な既知の標準物質との比較によって測定されます。

    蛍光寿命

    蛍光寿命とは、分子が光子を放出するまでに励起状態にある平均時間を指します。 蛍光は一般に一次速度論に従う：

    = 0 e – Γ t , {Θdisplaystyle \left=Θleft_{0}e^{-ΘGamma t},}

    where {Θdisplaystyle \left}, {Θleft={-ΘGamma t}, }

    は時刻t{displaystyle t}における励起状態分子の濃度である。 , 0 {displaystyle \lft_{0}}} は初期濃度、Γ {displaystyle \Gamma } は初期濃度。 は減衰率または蛍光寿命の逆数である。 これは指数関数的減衰の一例である。 様々な輻射および非輻射過程によって、励起された状態から脱落する可能性がある。 この場合、全減衰率はすべての減衰率の和となる：

    Γ t o t = Γ r a d + Γ n r a d {displaystyle \Gamma _{tot}=Gamma _{rad}+Camma _{nrad}}

    where Γ t o t {displaystyle \Gamma _{tot}}} は全減衰率、Γ r a d {displaystyle \Gamma _{rad}}。 は放射減衰率、Γ n r a d {displaystyle \Gamma _{nrad}} は放射減衰率 は非放射性崩壊率である。 これは一次化学反応において、一次速度定数がすべての速度の和になるのと似ている（パラレル・キネティック・モデル）。 自然放出速度やその他の速度が速い場合、寿命は短くなる。 一般的に使用されている蛍光化合物で、紫外から近赤外のエネルギーを持つ光子を放出する蛍光化合物の典型的な励起状態崩壊時間は、0.5～20ナノ秒の範囲である。 蛍光寿命は、蛍光共鳴エネルギー移動など、蛍光の実用的な応用において重要なパラメータである。 Kasha-Vavilov則は、発光の量子収率が励起光の波長に依存しないことを規定しています。

    この規則は必ずしも有効ではなく、多くの単純な分子では大きく破れています。 例外はあるが、より信頼できるのは、蛍光スペクトルは励起光の波長にはほとんど依存しないということである。

    • フルオレセイン
    • 蛍光灯
    • 光
    • りん光
    • X線
    • Lakowicz, Joseph R. 2006.もご参照ください。 蛍光分光学の原理、第3版、New York: Springer. ISBN 978-0387312781
    • Turro, Nicholas J. 1991. モダン分子光化学. ミルバレー、カリフォルニア州。 ユニバーシティ・サイエンス・ブックス. ISBN 0935702717
    • Valeur, Bernard. 2002. 分子蛍光: 原理と応用. Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 352729919X

    All links retrieved April 14, 2017.

    • Fluorophores.org The database of fluorescent dyes
    • Fluorescence on Scienceworld
    • Basic Concepts in Fluorescence

    Credits

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    • History of “Fluorescence”

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