פלואורסצנציה

היסטוריה

עדות ראשונה לתופעת הפלואורסצנציה תוארה ב-1560 על ידי ברנרדינו דה סאגון בקודקס הפלורנטיני וב-1565 על ידי ניקולס מונדרס בהקשר לתרופה ששימשה כחומר משתן והופקה מעץ שכונה "עץ הכליות". התרופה נודעה בתכונתה לשנות את הצבע של המים בהתאם לאור ולזווית פגיעתו.
בשנת 1822 תיאר רנה ז'יסט אאיאי את התופעה בפלואוריט, ב-1833 תיאר סר דייוויד ברוסטר את הפלואורסצנציה בכלורופיל וב-1845 עשה זאת סר ג'ון הרשל לגבי כינין.
במאמרו על "Refrangibility" (שינוי אורך הגל) של האור, תיאר ג'ורג' גבריאל סטוקס את היכולת של גביש פלואוריט וזכוכית אורניום לשנות אור אולטרה סגול בתחום הלא נראה לאור כחול.
הוא כינה תופעה זו פלואורסצנציה:
אני כמעט נוטה לצקת מטבע לשון ולקרוא לתופעה זו פלואורסצנציה על שם הפלואוריט, באנלוגיה לתופעת האופאלסצנציה ששמה נגזר משם המינרל, אופאל
המקור באנגלית
I am almost inclined to coin a word, and call the appearance fluorescence, from fluor-spar [i.e., fluorite], as the analogous term opalescence is derived from the name of a mineral.
השם נגזר מהמינרל פלואוריט (סידן דו פלואורידי - CaF₂), שלעיתים מכיל עקבות של אירופיום די ולנטי (²⁻Eu) אשר משמש זרז פלואורסצנטי לפליטת אור כחול.
בניסוי נוסף השתמש סטוקס במנסרה כדי לבודד קרינה אולטרה סגולה מאור השמש והבחין באור כחול שנפלט מתמיסת אתנול ובכך נחשף שהכילה את הפלואורופור כינין.

זמן חיים

זמן חיים פלואורסצנטי מתייחס לזמן הממוצע שבו המולקולה נשארת במצב מעורר לפני פליטת פוטון. פלואורסצנציה ניתנת לתיאור על ידי משוואת קצב קינטית מסדר ראשון:
כאשר הוא ריכוז המולקולות במצב מעורר בזמן , הוא ריכוז המולקולות במצב מעורר ההתחלתי (בזמן ) ו-הוא קצב הדעיכה ההופכי לזמן החיים הפלואורסצנטי, .
זוהי דוגמה קלאסית לדעיכה מעריכית. תהליכים קרינתיים ולא קרינתיים שונים יכולים לגרום לאי אכלוס של הרמה המעוררת ולכן קצב הדעיכה הכללי, , הוא הסכום של קצב התהליכים הקרינתיים,  וקצב התהליכי הלא קרינתיים  :
עבור תרכובות פלואורסצנטיות נפוצות, טווח זמני הרלקסציה האופייניים עבור פליטת פוטון מ-UV עד אינפרא אדום, נע בין 0.5 עד 20 ננו-שניות. זמן חיים פלואורסצנטי הוא פרמטר חשוב עבור יישומים מעשיים כגון: FRET ו-FLIM .

דיאגרמת יבלונסקי

דיאגרמת יבלונסקי מתארת את רוב מנגנוני הרלקסציה למולקולות במצב מעורר. התרשים מראה כיצד פלואורסצנציה מתרחשת עקב רלקסציה של אלקטרונים מעוררים מסוימים של המולקולה.

חוק קאשה

החוק קובע כי הנצילות הקוונטית של לומינסציה אינה תלויה באורך הגל של קרינת העירור. [20] הסיבה לתופעה נעוצה בכך שבמולקולה מעוררת בדרך כלל מתרחשת דעיכה לרמה הוירבציונית הנמוכה ביותר של רמת העירור בטרם מתרחשת פלואורסצנציה. חוק זה ניתן לניסוח באופן אחר: ספקטרום הפלואורסצנציה כמעט ואינו תלוי באורך הגל של קרינת העירור.

חוק דמות מראה

עבור פלואורופורים רבים ספקטרום הפליטה הוא דמות מראה של ספקטרום הבליעה. חוק זה קשור לעיקרון פרנק-קונדון הקובע כי מעבר בין 2 רמות אנרגיה ויברציוניות אפשרי ושכיח יותר אם פונקציות הגל של 2 הרמות מתלכדות ולכן הרמות הויברציוניות של רמת העירור דומות לרמות הויברציוניות של רמת היסוד.

היסט סטוקס

באופן כללי, לאור הנפלט בפלואורסצנציה יש אורך גל ארוך יותר ואנרגיה נמוכה יותר מהאור הנבלע. [22] תופעה זו, הידועה בשם היסט סטוקס, נובעת מאובדן אנרגיה בין הזמן שבו הפוטון נבלע, לבין הזמן שבו הוא נפלט. הגורמים וסדר הגודל של היסט סטוקס יכולים להיות מורכבים והם תלויים בפלואורופור ובסביבתו. עם זאת, יש כמה סיבות נפוצות. לעיתים קרובות ישנה דעיכה לא קרינתית לרמה הויברציונית הנמוכה ביותר של רמת העירור. גורם נוסף הוא שהפליטה מותירה את הפלואורופור ברמה ויברציונית גבוהה יותר מרמת היסוד.

ביופלואורסצנציה

התופעה מוגדרת כבליעת גלים אלקטרומגנטיים בתחום האור הנראה על ידי חלבונים פלואורסצנטיים באורגניזם חי ופליטת אור באנרגיה נמוכה יותר. צבע האור הנפלט שונה מצבע האור הנבלע. האלקטרון המעורר, עולה לרמה לא יציבה. חוסר היציבות של הרמה גבוה מאוד שכן חזרת האלקטרון לרמת היסוד היציבה מתרחשת כמעט מיידית. . חזרה זו תואמת לשחרורו של עודף אנרגיה בצורה של אור פלואורסצנטי. פליטת אור זו ניתנת לצפייה רק כאשר האור הממריץ עדיין מספק אור לאורגניזם והוא בדרך כלל צהוב, ורוד, כתום, אדום, ירוק או סגול.
אין לבלבל תופעה זו עם תופעות אור דומות:

ביופוספורסצנציה

תופעה בה אנרגיה ממקור אור חיצוני נקלטת על ידי חלבונים פלואורסצנטיים באורגניזם חי ומשוחררת זמן מה לאחר מכן באורך גל ארוך יותר. בניגוד לביופלואורסצנציה זמן החיים של התופעה ארוך יותר.