Чем отличается люминесценция от флуоресценции
Видео: Люминесценция и фосфоресценция
Флуоресценция против люминесценции
Люминесценция — это процесс излучения света. Это может происходить разными способами. В этой статье мы обсудим эти методы и типы светоизлучающих процессов.
Что такое флуоресценция?
Электроны в атоме или молекуле могут поглощать энергию электромагнитного излучения и, таким образом, переходить в более высокое энергетическое состояние. Это верхнее энергетическое состояние нестабильно; следовательно, электрон любит возвращаться в основное состояние. При возвращении он излучает поглощенную длину волны. В этом процессе релаксации они излучают избыточную энергию в виде фотонов. Этот процесс релаксации известен как флуоресценция. Флуоресценция происходит гораздо быстрее и обычно завершается примерно через 10-5 с или меньше времени с момента возбуждения. При атомной флуоресценции газовые атомы флуоресцируют, когда они подвергаются воздействию излучения с длиной волны, которая точно соответствует одной из линий поглощения элемента. Например, газообразные атомы натрия поглощают и возбуждают, поглощая излучение 589 нм. После этого происходит релаксация путем переизлучения флуоресцентного излучения той же длины волны. Благодаря этому мы можем использовать флуоресценцию для идентификации различных элементов. Когда длины волн возбуждения и повторного излучения совпадают, результирующее излучение называется резонансной флуоресценцией. Помимо флуоресценции, существуют другие механизмы, с помощью которых возбужденный атом или молекула могут отдавать свою избыточную энергию и релаксировать в свое основное состояние. Безызлучательная релаксация и флуоресцентное излучение — два таких важных механизма. Из-за множества механизмов время жизни возбужденного состояния невелико. Относительное количество молекул, которые флуоресцируют, невелико, потому что для флуоресценции требуются структурные особенности, которые замедляют скорость безызлучательной релаксации и увеличивают скорость флуоресценции. В большинстве молекул этих свойств нет; поэтому они подвергаются безызлучательной релаксации, и флуоресценция не возникает. Полосы молекулярной флуоресценции состоят из большого количества близко расположенных линий; поэтому обычно это трудно разрешить.
Что такое люминесценция?
Люминесценция — это процесс излучения света веществом. Это излучение происходит не из-за тепла; следовательно, это форма излучения холодного тела. Существует несколько видов люминесценции, таких как биолюминесценция, хемилюминесценция, электрохемилюминесценция, электролюминесценция, фотолюминесценция и т. Д. Биолюминесценция — это излучение света живыми организмами. Например, можно рассмотреть светлячков. Это естественный процесс. Свет выделяется в результате химической реакции, происходящей внутри организма. У светлячков, когда химическое вещество, называемое люциферином, реагирует с кислородом, возникает свет. Эта реакция катализируется ферментом люциферазой. Хемилюминесценция — это результат химической реакции. Фактически биолюминесценция — это разновидность хемилюминесценции. Например, катализируемая реакция между люминалом и перекисью водорода дает свет. Электрохемилюминесценция — это тип люминесценции, возникающий во время электрохимической реакции.
В чем разница между флуоресценцией и люминесценцией?
• Флуоресценция — это вид люминесценции.
• Флуоресценция — это результат поглощения фотонов, поэтому это вид фотолюминесценции.
• Элементы могут быть идентифицированы по характерной атомной флуоресценции.
• Флуоресценция имеет место в атомах или молекулах, тогда как люминесценция может иметь место в организмах, растворах, молекулах и т. Д.
Секреты и возможности флуоресцентной краски
Украсить интерьер помещения, придать фасаду здания визуальный объем и выразительность можно с помощью флуоресцентной эмали. Благодаря специфическим качествам она создает на поверхностях оригинальные световые эффекты.
Готовое лакокрасочное покрытие выглядит, как обычное (разве что чуть поярче). Если же направить на него ультрафиолетовую лампу, возникает свечение. Суть явления в том, что декоративная отделка поглощает невидимые УФ лучи, превращает их в световые волны видимого спектра, а затем отражает. Иногда спрашивают, светится ли флуоресцентная краска в темноте сама по себе. Нет, если выключить лампу, флуоресцирование прекращается.
Состав
Светящиеся лакокрасочные материалы (ЛКМ) представляют собой дисперсные смеси из разных компонентов, выполняющих свои функции. Обычно в состав входят:
- основа – полиакрилат, полиуретановая или алкидная смола;
- флуорофор – дисперсия из полимерных гранул, окрашенных светоотражающим пигментом (родамином или аминофталимидом);
- модификаторы, замедляющие выгорание покрытия под воздействием УФ лучей;
- наполнители, связующие вещества.
По сути, пигмент с эффектом свечения добавляется в обычную полиуретановую, алкидную или акриловую краску.
Свойства и сфера применения
Главная особенность красителей с флуорофором – яркое свечение в темноте. Коэффициент отражения направленных УФ лучей на 200% превышает аналогичный показатель обычной лакокрасочной отделки. Есть и другие позитивные свойства:
- Безвредность для организма. По уровню токсичности материал относится к 4 классу опасности.
- Экономичность. При окрашивании в один слой расходуется всего 70-90 г на квадратный метр.
- Большой выбор цветов. Самыми популярными являются красный, ярко-розовый, фиолетовый, лимонно-желтый, салатовый – они производят наибольшее зрительное впечатление в темноте. Есть в палитре классические тона, черный и белый. Стены можно покрыть прозрачным флуоресцентным составом. Днем он слегка усиливает насыщенность цвета основного покрытия, а в темноте при подсветке УФ лампой или прожектором создает особый визуальный эффект.
Применение флуоресцентной краски значительно расширяет возможности оформителей интерьеров, архитекторов, художников. Светящиеся покрытия наносят на стены, многоуровневые потолки, мебель, создают с их помощью картины, театральные декорации, интерьеры ночных клубов. На улицах подсвечивающая отделка преображает фасады, витражи, вывески и рекламные щиты.
В чем разница между флуоресцентной и люминесцентной красками
Светиться в темноте способна и другая эмаль – с добавлением пигмента люминофора, накапливающего дневной свет. Именно этим свойством объясняется отличие люминесцентной и флуоресцентной краски. Первая из них проявляется в темноте без дополнительной подсветки, а вторая лишь при попадании на поверхность УФ лучей.
Чтобы «зарядиться» для 8-10 часов свечения, люминофору достаточно полчаса побыть при дневном освещении. Правда, заряд постепенно истощается, и яркость люминесценции уменьшается.
Как выбрать флуоресцентную краску
Светящиеся лакокрасочные материалы выбирают по назначению, в зависимости от цели и характера работ. Существует несколько видов составов:
- Акриловая краска для внутренней отделки. Хорошо ложится на поверхности из камня, кирпича, дерева, гипсокартона, полностью нетоксична, без резкого запаха, легко разводится водой. Не предназначена для пластика и металла, не используется во влажных помещениях и на улице.
- Экстерьерная акриловая краска для фасадных и наружных работ. Устойчива к колебаниям температуры и влажности, истиранию. Подходит для кирпича, бетона, нержавеющей и оцинкованной стали, кафеля, пластика, гипсокартона.
- Универсальная аэрозольная флуоресцентная краска. Изготовлена на основе алкидной смолы и полиуретана. Используется для дизайна интерьеров, декорирования мебели, оформления наружной рекламы, создания светящихся рисунков-граффити, росписи витражей, аэрографии для автотюнинга.
Аэрозольные эмали отличаются простотой, скоростью и удобством применения, легко наносятся в малодоступные места. Состав годится для окрашивания бетона, пластика, металла, кожи, стекла и хрусталя. Готовое покрытие получается равномерным, гладким, прочным, влагонепроницаемым, с высоким светоотражением, устойчивым к выцветанию.
В интернет-магазине «Ремонстр» представлена быстросохнущая флуоресцентная краска в баллончиках от лучших производителей. Для получения глянцевой поверхности с ярким свечением аэрозоль напыляют в 2-3 тонких слоя. Каждый последующий слой наносят перпендикулярно предыдущему и подсушивают 3-3,5 ч. Полностью покрытие высыхает через 24 часа. Емкости одного баллона (400-425 мл) хватит, чтобы выкрасить около 3 квадратных метров.
Флуоресцентные светящиеся краски в удобной аэрозольной упаковке открывают неограниченные возможности для создания уникальных дизайнов и трехмерных композиций. Чтобы покрытие было долговечным, экологичным и безопасным, приобретать аэрозоли стоит у надежных поставщиков.
В чем различие между люминесценцией и флуоресценцией? Примеры того и иного?
Люминесценция это — общее название свечения. Термин происходит от лат. lumen — свет и суффикса "слабого действия" escent. А флуоресценция (от лат. fluo — течь, истекать) — только один из ее видов люминесценции (при чем тут "течь" — тема отдельного вопроса). Видов лминесценции очень много. Теоретически люминесценцией можно назвать свечение раскаленных тел. Только так обычно не поступают. Хотя на этом примере можно объяснить, как возникает свечение: при энергичном столкновении атомов их электроны запасают энергию, а потом освобождаются от нее, испуская кванты света. Возбуждать электроны в атомах можно и без сильного нагрева. Пример — лампы дневного света. В них энергию электронам дает электрический разряд. Трубки таких ламп покрывают внутри белым порошком – люминофором. Он поглощает испускаемый парами ртути ультрафиолет и высвечивает видимый свет. Синтезировано много веществ, которые могут светиться без нагрева. Их называют люминофорами (лат. lumen – свет и греч. phoros – несущий). Но так или иначе, атомы (электроны) люминофора нужно возбуждать. Способов возбуждения несколько. Например, светом. Он может быть видимым или ультрафиолетовым. Это — фотолюминесценция. Возбужденные атомы могут вернуться в основное состояние и излучить свет почти сразу — за стомиллионную доли секунды. Это и есть флуоресценция. Флуоресцирует, например, нафталин на солнечном свету. Флуоресцируют растворы флуоресцеина и эозина (их иногда добавляют к шампуням). Флуоресцируют зеленым на солнечном свету дорожные знаки, детали одежды. Разным цветом флуоресцируют краски для маркеров. Все они содержат сложные органические вещества, которые поглощают ультрафиолетовый и синий солнечный свет и излучают зеленый, желтый, оранжевый или красный. Сильно флуоресцирует хинин. Его добавляют к тоникам. Флуоресцентные красители входят в состав некоторых моющих средств. Они "оптически отбеливают" желтоватую ткань. Для этого они превращают солнечный ультрафиолет в голубой и синий свет, и ткань кажется белой. Раньше для этого хозяйки применяли синьку. Желтый цвет ткани и голубой синьки (или красителя) – дополнительные цвета. Вместе получается белый. Люминесцирующие красители можно видеть под светом УФ-лампы на банкнотах. Светятся надписи на банкноте, а также волоконца в бумаге.
Иногда люминесценция не исчезает сразу, свечение продолжается намного дольше. Это фосфоресценция. Она длится от долей секунды до многих часов. Ими иногда покрывают циферблаты и стрелки часов. Если их "насветить" на солнце, они потом будут в темноте некоторое время светиться, постепенно затухая. Люминесцируют экраны некоторых телевизоров, мониторов, осциллографов. Это — катодолюминесценция, свечение по действием электронов. К катодолюминофорам близки ретгенолюминофоры. Они светятся под действием рентгеновских лучей. Существует и электролюминесценция — свечение под действием электрического поля. А радиолюминофоры светятся под действием радиоактивных препаратов. Очень интересный вид люминесценции — хемилюминесценция, свечение происходит за счет энергии химических реакций. Разновидность — биолюминесценция, свечение гнилушек, морских организмов и др.
Флуоресценция (люминесценция)
Флуоресцентная (люминесцентная) микроскопия основана на способности некоторых веществ люминесцировать, т. е. светиться при освещении невидимым ультрафиолетовым или синим светом. Цвет люминесценции смещен в более длинноволновую часть спектра по сравнению с возбуждающим ее светом (правило Стокса).
При возбуждении люминесценции синим светом цвет ее может быть от зеленого до красного, если люминесценция возбуждается ультрафиолетовым излучением, то свечение может быть в любой части видимого спектра. Эта особенность люминесценции позволяет, используя специальные светофильтры, поглощающие возбуждающий свет, наблюдать сравнительно слабое люминесцентное свечение.
Устройство флуоресцентного микроскопа и правила работы с ним отличаются от обычного светового микроскопа в основном следующим:
1. Наличие мощного источника света в осветителе, излучающего преимущественно в коротковолновой (ультрафиолетовой, синей) части спектра (ртутно-кварцевая лампа или галогенная кварцевая лампа).
2. Наличие системы светофильтров:
- возбуждающие светофильтры пропускают только ту часть спектра, которая возбуждает люминесценцию;
- теплозащитный светофильтр защищает от перегрева другие светофильтры, препарат и оптику флуоресцентного микроскопа;
- "запирающие" светофильтры расположены между окуляром. Эти светофильтры поглощают возбуждающее излучение и пропускают свет люминесценции от препарата к глазу наблюдателя.
Способ освещения препаратов для возбуждения люминесценции заключается в том, что препарат освещают светом, падающим на него через объектив. Благодаря этому освещенность увеличивается при использовании объектов, имеющих большую числовую апертуру, т. е. тех, которые используются для изучения микроорганизмов.
Поскольку большинство микроорганизмов не обладают собственной люминесценцией существует несколько способов их обработки для наблюдения в флуоресцентном микроскопе. Прежде всего, это флуорохромирование — окрашивание сильно разведенными (до нескольких микрограмм/мл) растворами флуоресцирующих красителей (флуорохромов). Флуоресцентная микроскопия по сравнению с обычной позволяет:
•сочетатьцветное изображение и контрастность объектов;
• изучать морфологию живых и мертвых клеток микроорганизмов в питательных средах и тканях животных и растений;
• исследовать клеточные микроструктуры, избирательно поглощающие различные флуорохромы, являющиеся при этом специфическими цитохимическимииндикаторами;
•определятьфункционально-морфологическиеизмененияклеток;
• использовать флуорохромы при иммунологических реакциях и подсчете бактерий в образцах с невысоким их содержанием.
Конфокальная лазерная сканирующая микроскопия (CLSM) является методом оптического 3-мерного (3D) поверхностного профилирования с высокой разрешающей способностью.
Высокая числовая апертура линзового объектива (до 0,95) и короткая длина волны лазерного излучения обеспечивают изображение с высоким разрешением вдоль оптического и поперечного направлений. Конфокальное отверстие также улучшает качество изображения, оставляя шум вне фокуса. Получение изображения в режиме реального времени достигается за счет модуля быстрого сканирования и алгоритма обработки сигналов. Для получения 3D профиля поверхности образца требуется менее 1 секунды. Конфокальная микроскопия (CLSM) является техникой оптического неразрушающего профилирования высокого разрешения 3D поверхностей микроструктур. Это является идеальным решением для измерения и проверки полупроводниковых пластин, FPD продуктов, MEMS устройств, поверхностей стекла и других материалов.
Способность измерения высоты достигается благодаря конфокальному расположению источника, образца и детектора. Когда образец находится в фокальной плоскости объектива, свет, отраженный на поверхности образца, ориентирован на конфокальное отверстие, а фотодетектор собирает сигнал от образца. Однако образец помещают в положение не в фокусе, световой сигнал отклоняется конфокальной диафрагмой. Таким образом только сигнал в фокусе попадает на фотодетектор. Этим объясняется оптическая селективная способность CLSM техники.
Для получения 3D профиля поверхности образца, оптические изображения собираются вдоль оси Z. Благодаря конфокальному отверстию интенсивность света максимальна, когда образец располагается в фокальной плоскости.
13.Рентгеновская микроскопия
Рентгеновская микроскопия — совокупность методов исследования микроскопического строения вещества с помощью рентгеновского излучения. В рентгеновской микроскопии используют специальные приборы — рентгеновские микроскопы. Разрешающая способность достигает 100 нм, что в 2 раза выше, чем у оптических микроскопов (200нм). Теоретически рентгеновская микроскопия позволяет достичь на 2 порядка лучшего разрешения, чем оптическая (поскольку длина волны рентгеновского излучения меньше на 2 порядка). Однако современный оптический микроскоп — наноскоп имеет разрешение до 3-10нм.
Рентгеновская микроскопия разделяется на:
· Рентгеновская лазерная микроскопия
В микроскопах этого типа используются приёмы, позволяющие добиться максимального увеличения, благодаря чему линейное разрешение проекционных рентгеновских микроскопов достигает 0,1—0,5 мкм. В качестве линз в них используется система зеркал. Изображения, создаваемые отражательными рентгеновскими микроскопами даже при точном выполнении профиля их зеркал искажаются различными аберрациями оптических систем: астигматизм, кома.
Отражательные рентгеновские микроскопы не получили широкого распространения из-за технических сложностей их изготовления и эксплуатации.
Проекционные рентгеновские микроскопы представляют собой камеру, в противоположных концах которой располагаются источник излучения и регистрирующее устройство. Для получения чёткого изображения необходимо, чтобы угловая апертура источника была как можно меньше.
Увеличение (М) в методе рентгеновской проекционной микроскопии определяется отношением расстояний от источника рентгеновского излучения до детектора (b) к расстоянию от источника до объекта (а):
В микроскопах такого типа до недавнего времени не использовались дополнительные оптические приборы. Основным способом получить максимальное увеличение является размещение объекта на минимально возможном расстоянии от источника рентгеновского излучения. Для этого фокус трубки располагается непосредственно на окне рентгеновской трубки либо на вершине иглы анода, помещенной вблизи окна трубки. В последнее время ведутся разработки микроскопов, использующих зонные пластинки Френеля для фокусировки изображения. Такие микроскопы имеют разрешающую способность до 30 нанометров.
Для фокусировки рентгеновского излучения применяются также изогнутые монокристаллы. Но при этом на качество изображения сказываются структурные несовершенства монокристаллов, а также конечная величина брэгговских углов дифракций.
Ла?зерная рентге?новская микроскопи?я — разновидность рентгеноструктурного анализа, основанного на дифракции рентгеновских лучей на исследуемом объекте. В отличие от традиционного рентгеноструктурного анализа, исследуется одиночные молекулы и их сочетания.
Для получения и дальнейшей регистрации дифракционной картины на одиночном объекте требуется:
высокая концентрация энергии излучения на исследуемом объекте как из-за его размера (традиционный рентгеноструктурный анализ имеет дело с кристаллами из исследуемых объектов), так и из-за ограниченной чувствительности принимающей аппаратуры (при недостаточной энергии не удастся зафиксировать картину);
малое время экспонирования, так как вследствие высокой концентрации энергии объект неизбежно разрушается излучением. Характерные временные интервалы — несколько фемтосекунд (10?12 с);
высокая пространственная когерентность излучения (длина когерентности должна быть по крайней мере сравнима с длиной оптического пути прибора), в противном случае из-за малого времени экспонирования возникающее искажение фазы не позволит сформировать устойчивую дифракционную картину.
Ультрафиолетовая микроскопия основана на способности некоторых веществ избирательно поглощать ультрафиолетовые лучи с определенной длиной волны. Это позволяет наглядно демонстрировать и изучать, в том числе количественно, распределение веществ в живых клетках или фиксированных препаратах. Так, например, белки и нуклеиновые кислоты одинаково прозрачны для видимого света; рассматривая неокрашенную клетку в видимом свете, нельзя определить, где расположен белок или нуклеиновая кислота. Но ультрафиолетовые лучи определенной длины нуклеиновая кислота поглощает значительно сильнее, чем белок. Поэтому в ультрафиолетовом микроскопе участок, содержащий нуклеиновую кислоту, выглядит значительно темнее. Так как ультрафиолетовые лучи непосредственно глазом не воспринимаются, приходится применять специальные преобразователи света. Ультрафиолетовая микроскопия технически значительно сложнее обычной световой, ее аппаратура дороже и методика тоньше. Несмотря на это, применение ее оправдано, так как научная значимость быстрого топографического описания химического состава живой клетки весьма велика.
Гораздо более доступна и перспективна люминесцентная микроскопия (см.), широко применяемая ныне в научно-исследовательских и клинико-диагностических лабораториях. При этом живой объект обрабатывают специальными красителями, которые, будучи освещены синим, фиолетовым или ультрафиолетовым светом, начинают светиться, излучая более длинные волны (зеленые, желтые). Цвет возбужденного вторичного свечения зависит от химических свойств объекта и введенного в него красителя.
14. Электро́нная микроскопи́я — совокупность методов исследования с помощью электронных микроскопов микроструктур тел, их локального состава и локализованных на поверхностях или в микрообъемах тел электрических и магнитных полей.
Просвечивающая электронная микроскопия
В просвечивающем электронном микроскопе используется высокоэнергетический электронный пучок для формирования изображения. Электронный пучок создается посредством катода (вольфрамового, LaB6, Шоттки или холодной полевой эмиссии). Полученный электронный пучок ускоряется обычно до 80—200 кэВ (используются различные напряжения от 20 кВ до 1 МВ), фокусируется системой магнитных линз (иногда электростатических линз), проходит через образец так, что часть электронов рассеивается на образце, а часть — нет. Таким образом, прошедший через образец электронный пучок несет информацию о структуре образца. Далее пучок проходит через систему увеличивающих линз и формирует изображение на люминесцентном экране (как правило, из сульфида цинка), фотопластинке или ПЗС-камере.
Разрешение ПЭМ лимитируется в основном сферической аберрацией. Некоторые современные ПЭМ имеют корректоры сферической аберрации.
Основными недостатками ПЭМ являются необходимость в очень тонком образце (порядка 100 нм) и неустойчивость(разложение) образцов под пучком.
Просвечивающая растровая(сканирующая) электронная микроскопия (ПРЭМ )
Один из типов просвечивающей электронной микроскопии (ПЭМ), однако есть приборы работающие исключительно в режиме ПРЭМ. Пучок электронов пропускается через относительно тонкий образец, но, в отличие от обычной просвечивающей электронной микроскопии, электронный пучок фокусируется в точку, которая перемещается по образцу по растру.
Растровая (сканирующая) электронная микроскопия
В основе лежит телевизионный принцип развертки тонкого пучка электронов по поверхности образца.
Трансмиссионная электронная микроскопия. Трансмиссионный электронный микроскоп — это система визуализации изображения, которая теоретически обеспечивает очень высокое разрешение (0,1 нм). На практике, однако, разрешение, получаемое большинством хороших приборов, составляет около 3 нм. Такое высокое разрешение делает возможным изучение деталей при увеличении вплоть до 400 000 раз. К сожалению, этот уровень увеличения применим только к изолированным молекулам или частицам. Очень тонкие тканевые срезы можно детально изучать при увеличениях примерно до 120 000 раз. В основе действия трансмиссионного электронного микроскопа лежит принцип, согласно которому электромагнитные поля способны отклонять пучок электронов таким же образом, что и стеклянные линзы, отклоняющие свет. В электронном микроскопе электроны испускаются в результате нагревания в вакууме очень тонкой металлической (обычно вольфрамовой) нити (катода). Испускаемые электроны далее попадают в условия разницы потенциалов порядка 60—120 кВ между катодом и анодом, представляющим собой металлическую пластинку с отверстием в центре. Электроны, таким образом, привлекаются к аноду и разгоняются до высоких скоростей. Они проходят через центральное отверстие в аноде, формируя постоянный поток (или пучок) электронов, который проникает в колонну микроскопа.
Устройство электронного микроскопа очень сходно с конструкцией оптического микроскопа, хотя оптика электронного микроскопа обычно располагается в обратном порядке. Первая линза — это конденсор, который фокусирует пучок электронов на срезе. Некоторые электроны взаимодействуют с атомами в срезе и продолжают свой ход, тогда как другие просто проходят сквозь образец без взаимодействия.
Чтобы создать хорошее взаимодействие между образцом и электронами, в электронной микроскопии используют очень тонкие срезы (40—90 нм), поэтому заливку производят в смолу, которая очень сильно затвердевает. Полученные блоки настолько твердые, что для изготовления срезов требуются стеклянные или алмазные ножи. Чрезвычайно тонкие срезы помещают на маленькие металлические сетки и помещают внутрь микроскопа для изучения. Метод замораживания позволяет исследовать ткани с помощью электронной микроскопии, при этом необходимость в фиксации и заливке отсутствует. Метод дает меньше артефактов, чем стандартная подготовка тканей, хотя он обычно отличается трудоемкостью.