Fluorescence

Mechanismus vzniku fluorescence je dán schopností látky pohlcovat budící elektromagnetické záření a schopností nashromážděnou energii následně vyzářit v podobě charakteristického emisního záření. Látka absorbcí elektromagnetického záření vstoupí do energeticky bohatšího stavu, z něhož se následně navrací do základního stavu pomocí zářivých přechodů s uvolněním fotonu. Nastává-li tento jev bezprostředně po excitaci (méně než 10^-8 s), hovoříme o podkategorii luminiscence – fluorescenci.

Prakticky vždy platí, že excitační elektromagnetické záření je kratší vlnové délky a tudíž vyšší energie než záření emitované.

Typické příklady budícího, excitačního záření je viditelné světlo, ultrafialové světlo, Röntgenovy paprsky nebo radiace; v posledně jmenovaném případě mluvíme o takzvané radioluminiscenci.

Materiály, které podléhají fluorescenci, mohou mít různé struktury. Obvykle však platí, že organické látky, které vykazují schopnost fluorescence, mají ve své struktuře systém konjugovaných dvojných vazeb. Ve skupině organických fluorescenčních látek statisticky nejvíce dominují látky obsahující propojená benzenová jádra.

Historie pozorování fluorescence sahá do středověkých dob, kdy docházelo k importu cizokrajných rostlinných materiálů a dřevin za účelem dalšího prodeje a zhodnocení v lékařství. Nicolás Monardes, španělský lékař a biolog pozoroval podobně jako ve stejné době františkánský mnich Bernardino de Sahagún pozoruhodné optické vlastnosti extraktu z dřeva mexického keře Eynsemhardtia polystachia a také na Filipínách rostoucí rostliny Pterocarpus indicus. Obě tyto rostliny, které dostaly později název „lignum nephriticum“, česky volně přeloženo jako „ledvinové dřevo“, protože extrakt z tohoto dřeva měl léčivé účinky na ledviny díky svým diuretickým vlastnostem. Čistá voda, ve které se nechalo louhovat toto dřevo, získala rozpuštěním fluorescenčních látek ze dřeva velmi zajímavý namodralý odstín obzvláště patrný v málo osvětlené místnosti. Výrobky z tohoto dřeva, např. poháry, byly svého času velmi zajímavou kuriozitou na šlechtických dvorech.

Známější příklad léčivého dřeva a kůry je kůra chininovníku s podobným flurescenčním efektem, který obzvláště vynikne na UV světle.

Fluorescence nachází velice široké uplatnění. Asi nejznámější využití fluorescenčních látek je v osvětlovací technice, například úsporné zářivky typicky využívají fluorescenci. Vevnitř úsporné zářivky se nacházejí páry rtuti, které jsou průchodem elektrického oblouku excitovány, a vyzařují UV záření. UV záření dopadá na stěnu trubice, kde je nanesen speciální fluorofor, který se excituje UV zářením, a následně emituje viditelné spektrum.

Volbou vhodného luminoforu lze regulovat chromatičnost úsporné zářivky od studených barev až k teplému barevnému podání, které je blízké světlu žárovky.

Při popisu osvětlovací techniky nelze opomenout technologii elektroluminiscenčních diod, běžněji známých pod pojmem LED (z anglického výrazu Light Emitting Diode). Emise světla vzniká v těchto polovodičových diodách rekombinací elektronů a děr. Při této rekombinace dochází k excitaci materiálu diody, který poté emituje záření charakteristické pro LED diodu. Vhodnou volbou barviva LED diody je možné dosáhnout širokého spektra barev. Významnou výhodou LED diod je jejich vysoká účinnost přeměny elektrické energie na světlo.

Pomineme-li osvětlovací techniku, tak obecně nejširší použití mají fluorescenční barviva. Podle jejich struktury mohou být tato barviva vysoce rozpustná v olejích, a nebo také mohou mít dostatečnou rozpustnost ve vodě díky přítomnosti polárních skupin.

Spektrum aplikací fluorescenčních barviv je skutečně obrovské. Pro kontrolní účely se využívají speciální fluorescenční barviva pro tisk cenin, bankovek, důležitých dokumentů. Lipofilní fluorescenční barviva jsou využívana pro detekci úniku olejů a provozních kapalin ve vozidlech. Případný únik kapaliny lze snadno odhalit UV lampou v zatemněné garáži. Značení topných olejů a pohonných hmot speciálními citlivými barvivy napomáhá orgánům celní a daňové správy odhalovat daňové úniky.

Voděrozpustná barviva obecně mají využití širšího rozsahu – ve velkém měřítku mohou být využívána k hydrogeologickému průzkumu podzemních vod a ke sledování jejich toků. Funguje to tak, že se koncentrovaný roztok netoxického barviva vstříkne pod zem a sleduje se na různých stanovištích, kde dojde k detekci fluorescence.Takto je možno získat poměrně detailní obraz podzemní struktury. Učebnicový příklad průzkumu špatně dostupných podzemních pramenů v krasové oblasti bylo odhalení toku pramene Dunaje v roce 1877, při něm bylo vstříknuto do podzemí 10 kg sodné soli fluoresceinu a s časovým odstupem bylo možno pozorovat, kudy přesně pramen Dunaje vede.

Sodná sůl fluoresceinu může být použita k záchraně lidských životů při havárii letadel na moři. Neobyčejně vysoká barvící schopnost fluoresceinu dokáže obarvit z relativně malého množství velké vodní plochy jedovatě zelenou barvou. Při nárazu letadla dojde k uvolnění barviva do vody, které obarví přilehlé bezprostřední okolí vraku. Intenzivně zabarvená vodní plocha je pak z výšky lépe detekovatelná záchrannými letadly (Obr. 1).

Opticky zjasňující prostředky (OZP), které jsou dnes prakticky všudypřítomné, nacházejí svůj původ také v rostlinné říši. V 19. století bylo pozorováno, že extrakt z kůry jírovce maďala obsahující látku eskulin modře fluoreskuje a dokáže nažloutlé bílé prádlo svojí modrou fluorescencí výrazně opticky vybělit. Analýza struktury aesculinu přivedla chemiky k přípravě opticky zjasňující prostředků s vyšší účinností a stabilitou a tak jsou dnes OZP používány prakticky ve všech pracích prášcích a kancelářských papírech (Obr. 2). Dobře se o tom lze přesvědčit pomocí UV lampičky. Textil ošetřený OZP vykazuje modrou fluorescenci.

Fluorescenční barviva nacházejí široká uplatnění v barvení biologických preparátů, při zkoumání vzorků tkání pod fluorescenčním mikroskopem. Citlivá barviva pro biologii, histologii a mikroskopii umožňují včas rozpoznat patogeny nebo tkáňové změny a také detailní sledování a studium dějů v buňkách.

Pro studium buňěčných dějů na nanoúrovni se používají molekuly fluorescenčně značených peptidů, enzymů a dalších látek důležitých pro činnost buňky. Přítomnost fluorescenční značky připojené k molekule těchto látek umožňuje detailně monitorovat jejich funkci, strukturu a osud v buňce.