Fluorescencia

Mechanizmus vzniku fluorescencie je daný schopnosťou látky pohlcovať vzbudzujúce elektromagnetické žiarenie a schopnosťou nazhromaždenú energiu následne vyžiariť v podobe charakteristického emisného žiarenia. Látka absorpciou elektromagnetického žiarenia vstúpi do energeticky bohatšieho stavu, z ktorého sa následne vracia do základného stavu pomocou žiarivých prechodov s uvoľnením fotónu. Ak nastáva tento jav bezprostredne po excitácii (menej než 10^-8 s), hovoríme o podkategórii luminiscencie – fluorescencii.

Prakticky vždy platí, že excitačné elektromagnetické žiarenie má kratšiu vlnovú dĺžku a teda vyššiu energiu než žiarenie emitované.

Typickými príkladmi vzbudzujúceho excitačného žiarenia sú viditeľné svetlo, ultrafialové svetlo, Röntgenové lúče alebo radiácia; v poslednom menovanom prípade hovoríme o takzvanej rádioluminiscencii.

Materiály, ktoré podliehajú fluorescencii , môžu mať rôzne štruktúry, obvykle však platí, že organické látky, ktoré vykazujú schopnosť fluorescencie, majú vo svojej štruktúre systém konjugovaných dvojitých väzieb. V skupine organických fluorescenčných látok štatisticky najviac dominujú látky obsahujúce prepojené benzénové jadrá.

História pozorovania fluorescencie siaha do stredovekých dôb, kedy dochádzalo k importu cudzokrajných rastlinných materiálov a drevín za účelom ďalšieho predaja a zhodnotenia v lekárstve. Nicolás Monardes, španielsky lekár a biológ pozoroval podobne ako v rovnakej dobe františkánsky mních Bernardino de Sahagún pozoruhodné optické vlastnosti extraktu z dreva mexického kra Eynsemhardtia polystachia a tiež na Filipínach rastúcej rastliny Pterocarpus indicus. Obe tieto rastliny, ktoré dostali neskôr názov „lignum nephriticum“, slovensky voľne preložené ako „obličkové drevo“, pretože extrakt z tohto dreva mal liečivé účinky na obličky vďaka svojim diuretickým vlastnostiam. Čistá voda, v ktorej sa nechalo drevo lúhovať, získala rozpustením fluorescenčných látok z dreva veľmi zaujímavý namodravý odtieň obzvlášť zrejmý v málo osvetlenej miestnosti. Výrobky z tohto dreva, napr. poháre, boli svojho času veľmi zaujímavou kuriozitou na šľachtických dvoroch.

Podobný, ale známejší príklad liečivého dreva a kôry, je kôra chinínovníku, ktorá má obdobný  fluorescenčný efekt. Tento efekt obzvlášť vynikne na UV svetle.

Fluorescencia nachádza široké použitie, ako je vidno v dolnej časti myšlienkovej mapy, Asi najznámejšie použitie fluorescenčných látok je v osvetľovacej technike, napríklad úsporné žiarivky typicky využívajú fluorescenciu. Vo vnútri úspornej žiarivky sa nachádzajú pary ortuti, ktoré sú prechodom elektrického oblúku excitované a vyžarujú UV žiarenie. UV žiarenie dopadá na stenu trubice, kde je nanesený špeciálny fluorofor, ktorý sa excituje UV žiarením a následne emituje viditeľné spektrum.

Voľbou vhodného luminoforu sa dá regulovať chromatickosť úspornej žiarivky od studených farieb až k farebnému podaniu blízkemu svetlu žiarovky.

Pri popise osvetľovacej techniky sa nedá nespomenúť technológia elektroluminiscenčných diód, bežnejšej známych pod pojmom LED z anglického výrazu Light Emitting Diode. Emisia svetla vzniká v týchto polovodičových diódach rekombináciou elektrónov a dier. Pri tejto rekombinácii dochádza k excitácii materiálu diódy, ktorý potom emituje žiarenie charakteristické pre LED diódu. Vhodnou voľbou farbiva LED diódy je možné dosiahnuť široké spektrum farieb. Významnou výhodou LED diód je ich vysoká účinnosť premeny elektrickej energie na svetlo.

Ak vynecháme osvetľovaciu techniku tak obecne najširšie využitie majú fluorescenčné farbivá. Podľa ich štruktúry môžu byť tieto farbivá vysoko rozpustné v olejoch alebo tiež môžu mať dostatočnú rozpustnosť vo vode vďaka prítomnosti polárnych skupín.

Spektrum aplikácií fluorescenčných farbív je skutočne obrovské. Pre kontrolné účely sa využívajú špeciálne fluorescenčné farbivá pre tlač cenín, bankoviek a dôležitých dokumentov. Lipofilné fluorescenčné farbivá sú využívané na detekciu únikov olejov a prevádzkových kvapalín vo vozidlách. Prípadný únik sa dá ľahko odhaliť UV lampou v zatemnenej garáži. Značenie vykurovacích olejov a pohonných hmôt špeciálnymi citlivými farbivami napomáha orgánom colnej a daňovej správy odhaľovať daňové úniky.

Vo vode rozpustné farbivá majú obecne využitie širšieho rozsahu – vo veľkom meradle môžu byť používané k hydrogeologickému prieskumu podzemných vôd a k sledovaniu ich tokov. Funguje to tak, že sa koncentrovaný roztok netoxického farbiva vstrekne pod zem a sleduje sa na rôznych stanovištiach, kde dôjde k detekcii fluorescencie. Takto je možné získať pomerne detailný obraz podzemnej štruktúry. Učebnicový príklad prieskumu zle dostupných podzemných prameňov v krasovej oblasti bolo odhalenie toku prameňa Dunaja v roku 1877, pri ktorom bolo vstreknutých do podzemia 10 kg sodnej soli fluoresceínu a s časovým odstupom bolo možné pozorovať, kadiaľ presne prameň Dunaja vedie.

Sodná soľ fluoresceínu môže byť použitá k záchrane ľudských životov pri havárii lietadiel na mori. Neobyčajne vysoká farbiaca schopnosť fluoresceínu dokáže zafarbiť z relatívne malého množstva veľké vodné plochy jedovato zelenou farbou. Pri náraze lietadla dôjde k uvoľneniu farbiva do vody, ktoré zafarbí priľahlé bezprostredné okolie vraku. Intenzívne zafarbená vodná plocha je potom z výšky lepšie detekovateľná záchrannými lietadlami.

Opticky zjasňujúce prostriedky (OZP), ktoré sú dnes prakticky všadeprítomné, nachádzajú svoj pôvod tiež v rastlinnej ríši. V 19. storočí bolo pozorované, že extrakt z kôry gaštanu konského obsahujúcej látku aesculín namodro fluoreskuje a dokáže nažltnutú bielu bielizeň svojou modrou fluorescenciou výrazne opticky vybieliť. Analýza štruktúry aesculínu priviedla chemikov k príprave opticky zjasňujúcich prostriedkov s vyššou účinnosťou a stabilitou, a tak sú dnes OZP používané prakticky vo všetkých pracích práškoch a kancelárskych papieroch. Dobre sa dá o tom presvedčiť pomocou UV lampičky. Textil ošetrený OZP vykazuje modrú fluorescenciu.

Fluorescenčné farbivá nachádzajú široké použitie vo farbení biologických preparátov, pri skúmaní vzoriek tkanív pod fluorescenčným mikroskopom. Citlivé farbivá pre biológiu, histológiu a mikroskopiu umožňujú včas rozpoznať patogény alebo tkanivové zmeny a tiež detailné sledovanie a štúdium dejov v bunkách.

Pre štúdium bunkových dejov na nanoúrovni sa používajú molekuly fluorescenčne značených peptidov, enzýmov a ďalších látok dôležitých pre činnosť bunky. Prítomnosť fluorescenčnej značky pripojenej k molekule umožňuje detailne monitorovať ich funkciu, štruktúru a osud v bunke.