Fluorestsents

Fluorestsents (sõna tuleneb mineraalist fluoriit; seda mineraali uurides avastati fluorestsents) on valguse kiirgumine ainest, mis on eelnevalt ergastatud UV-kiirgusega või nähtava valgusega. See on luminestsentsi alaliik. Enamikul juhtudel omab emiteeruv kiirgus pikemat lainepikkust kui neelatav kiirgus ja seeläbi omab ka madalamat energiat. Samas, kui neelatav elektromagnetiline kiirgus on väga intensiivne, võib üks elektron neelata ka kaks footonit. Selline nähtus võib esile kutsuda fluorestsentsi, millel on lühem lainepikkus kui neelatud kiirgusel.
Fluorestsentsil on palju rakendusi, muu hulgas kasutatakse seda ka mineraloogias, spektroskoopias, metallide määramisel, keskkonna ja tervisekaitse analüüsides, värvides, fluorestsentslampides, bioaktiivsete ainete määramisel, immunoanalüüsides.

Ajalugu

Ühe esimestest varajastest tähelepanekutest fluorestsentsi olemasolu kohta tegi 1565. aastal Nicolás Monardes, kui ta uuris ühe Kesk-Ameerikast pärit puidu (Lignum nephriticum) leotist . Selle fluorestsentsi põhjustas keemiline ühend, mis on ühe selles puus leiduva flavonoidi redoksreaktsiooni produkt.
1819. kirjeldas Edward D. Clarke ja 1822. René Just Haüy fluorestsentsi fluoriidis, 1833. kirjeldas Sir David Brewster seda fenomeni klorofüllis ja 1845. Sir John Herschel hiniinis.
1852. aastal kirjutas George Gabriel Stokes oma artiklis fluoriidist ja uraaniklaasist, mida ta kirjeldas kui materjale võimega muuta nähtamatut ultraviolettkiirgust nähtavaks pikema lainepikkusega kiirguseks. Ta nimetas seda fenomeni fluorestsentsiks. Nimetuse tuletas ta fluoriidist. Oma põhikatses kasutas ta prismat ultraviolettkiirguse eraldamiseks päikesekiirgusest, kiiritas sellega hiniini etanoolilahust ja täheldas selle tagajärjel sinist valgust.

Varustus

Fluorestsentsspektroskoopia aparatuur vajab esmalt kiirgusallikat, mis suudab emiteerida kiirgust mitmel lainepikkusel. Tavaliselt on analüüsiks vaja ühte kindlat lainepikkust, mis selekteeritakse välja filtri või monokromaatoriga. Seejärel läbib see kindla lainepikkusega valguskiir proovi. Pärast neeldumist ja taaskiirgumist võivad ilmenda mitmed lainepikkused Stokesi nihke ja mitmete teiste põhjuste tõttu. Et need lainepikkused eraldada ja analüüsida, on vaja veel ühte monokromaatorit. Teine monokromaator aga ei ole prooviküveti ja esimese monokromaatoriga sirge peal, vaid nende vahel on nurk. See on vajalik selleks, et ergastav kiirgus ei jõuaks teise monokromaatorini ja ei muudaks seeläbi analüüsi tulemusi. Pärast teist monokromaatorit jõuab kiirgus detektorisse.

Ühendite struktuur

Kõige intensiivsem fluorestsents ilmneb ühendites, mis sisaldavad aromaatseid tuumi madalate üleminekute energiatega. Ka ühendid, mis omavad alifaatseid ja alitsüklilisi süsinikstruktuure või konjugeeritud kaksiksidemeid, võivad fluorestseeruda, aga nende kiirgumise intensiivsus on palju madalam kui aromaatsetel ühenditel. Aromaatsete ühendite kvantsaagis tavaliselt suureneb aromaatsete tuumade arvu suurenemisega. Lihtsamad heteroaatomilised ühendid, nagu furaan ja püridiin, ei oma fluorestseeruvaid omadusi, kuid mitmetuumalised ühendid, nagu näiteks indool ja kinoliin, juba enamasti omavad. Lisaks aromaatsusele peab molekul olema ka jäik.
Näiteks kvantsaagised fluoreenile ja bifenüülile on vastavalt 1,0 ja 0,2. Sellist käitumise erinevust võib seletada fluoreeni molekuli jäikusega, mida põhjustab sillana käituv metüleenrühm. Madal jäikus suurendab mittekiirgusliku ülemineku tõenäosust, kuna mittekiirguslik relaksatsioon põhineb võnkumistel. Mida vähem on molekulil painduvaid osi, seda keerulisem on tal mittekiirguslikult relakseeruda. Ka väga paljud metallikompleksid on jäigad, kuna metall orienteerib ligandid tugevalt enda ümber. Näiteks fluorestsentsi intensiivus vabal 8-hüdroksükinoliinil on palju väiksem kui tema jäigal metallikompleksil. Elektrodonoorsete rühmade rohkus ning elektronaktseptoorsete rühmade vähesus suurendavad fluorestsentsi tõenäosust.
Happelise või aluselise kõrvalrühmaga aromaatse ühendi fluorestseerumisvõime on tavaliselt sõltuv pH-st. Nii emiteeruva kiirguse lainepikkus kui ka intensiivsus on ühendi ioniseeritud ja mitteioniseeritud vormi korral tõenäoliselt erinevad.

Valgustus

Esimest korda näidati avalikkusele fluorestsentslampe 1939. aastal New Yorgis. 
Fluorestsentslamp on olemuselt gaaslahenduslamp. Klaastoru sees on osaline vaakum ja väike kogus elavhõbedat. Elektrilahendus paneb elavhõbeda aatomid emiteerima UV-kiirgust. Toru on ääristatud fosfooriga, mis neelab UV-kiirgust ja kiirgab nähtavat valgust. Fluorestsentslamp on energiasäästlikum kui hõõglamp. Samas võib ebaühtlane fluorestsentslambi spekter põhjustada mõnede värvide ebaharilikku väljanägemist võrreldes hõõglambi või päevavalguse käes nägemisega. Elavhõbeda gaasi kiirgusspektris domineerib lühilaineline UV-joon 254 nm juures, lisaks on veel olemas nähtava valguse jooned 436 nm (sinine), 546 nm (roheline) ja 579 nm (kollane) juures. 
Valget valgust emiteerivad dioodid (light-emitting diodes – LED) tulid kasutusse 1990. aastate keskel LED-lampidena. LED-lampides tabab pooljuhist kiirguv sinine valgus luminofoori, sealt edasi ühineb sinine valgus luminofoorilt emiteeruva rohelise ja punase fluorestsentsiga, tootes valget valgust.

Analüütiline keemia

Paljud analüütilised protseduurid hõlmavad fluoromeetri kasutamist. Meetodi kõrge tundlikkuse tõttu on võimalik mõõta väga madalaid kontsentratsioone ja seda kasutatakse jälgede määramisel. Fluorestsentsi saab efektiivselt kasutada ka kromatograafias detektorina. Fluorestsentsi iseloomust tulenevalt on tegemist väga selektiivse detektoriga (nähakse ainult fluorestseeruvaid analüüte). Võrreldes vedelikukromatograafias kõige levinuma UV-Vis detektoriga on fluorestsentsdetektor oluliselt tundlikum  
(avastamispiir on ligikaudu tuhat korda madalam, ulatudes ppm-ide ja ppb-de suurusjärku). Planaarkromatograafias saab plaate visualiseerida, kui ühend või värviv reagent on fluorestseeriv. Fluorestsents on kõige efektiivsem, kui Boltzmanni jaotuse järgi on madalamatel energiatasemetel palju aatomeid. Sel juhul on ergastumise ja footonite kiirgamise tõenäosus suurem, mis teeb analüüsi tõhusamaks.