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Fluorescence

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Fluorescence est une luminescence qui se trouve principalement comme phénomène optique dans les corps froids, dans laquelle l'absorption moléculaire d'un photon à une certaine longueur d'onde déclenche l'émission d'un autre photon avec une longueur d'onde plus longue. La substance fluorescente est appelée fluorophore. La différence d'énergie entre les photons absorbés et émis se termine par des vibrations moléculaires ou de la chaleur. Habituellement, le photon absorbé est dans la gamme ultraviolette et la lumière émise est dans la gamme visible, mais cela dépend du fluorophore utilisé et d'autres facteurs.

La fluorescence tire son nom de la fluorite minérale, composée de fluorure de calcium, qui présente souvent ce phénomène. Une variété d'autres minéraux et matériaux organiques sont également fluorescents, et ils sont utilisés pour un certain nombre d'applications différentes. Par exemple, la fluorescence est utile pour l'éclairage et le marquage de molécules en chimie analytique et en biochimie. Les fluorophores ont été utilisés pour étiqueter les cellules, les anticorps et d'autres structures biologiques et pour déterminer leurs structures et leurs modes d'action.

Exemples de matériaux fluorescents

Les pierres précieuses, les minéraux, les fibres et de nombreux autres matériaux qui peuvent être rencontrés en médecine légale ou en relation avec divers objets de collection peuvent avoir une fluorescence distinctive ou peuvent émettre une fluorescence différente sous l'ultraviolet à ondes courtes, l'ultraviolet à ondes longues ou les rayons X.

De nombreux types de calcite et d'ambre fluorescent sous UV à ondes courtes. Les rubis, les émeraudes et le diamant Hope présentent une fluorescence rouge sous une lumière UV à ondes courtes; les diamants émettent également de la lumière sous rayonnement X.

Le pétrole brut (pétrole) est fluorescent dans une gamme de couleurs, du brun terne pour les huiles lourdes et les goudrons au blanc jaunâtre et bleuâtre vif pour les huiles et les condensats très légers. Ce phénomène est utilisé dans les forages d'exploration pétrolière pour identifier de très petites quantités de pétrole dans les déblais de forage et les carottes.

Les liquides organiques tels que les mélanges d'anthracène dans le benzène ou le toluène, ou le stilbène dans les mêmes solvants, fluorescent avec une irradiation aux rayons ultraviolets ou gamma. Les temps de décroissance de cette fluorescence sont de l'ordre des nanosecondes car la durée de la lumière dépend de la durée de vie des états excités du matériau fluorescent, en l'occurrence anthracène ou stilbène.

Applications

Il existe de nombreux composés naturels et synthétiques qui présentent une fluorescence, et ils ont un certain nombre d'applications. Certains animaux d'eau profonde, comme le Greeneye, utilisent la fluorescence.

Éclairage

Le tube fluorescent commun repose sur la fluorescence. À l'intérieur du tube de verre se trouve un vide partiel et une petite quantité de mercure. Une décharge électrique dans le tube fait émettre de la lumière aux atomes de mercure. La lumière émise se situe dans la gamme des ultraviolets (UV), est invisible et est nocive pour la plupart des organismes vivants. Le tube est recouvert d'un revêtement d'un matériau fluorescent, appelé le phosphore, qui absorbe les ultraviolets et réémet la lumière visible. L'éclairage fluorescent est très économe en énergie par rapport à la technologie à incandescence, mais les spectres produits peuvent faire apparaître certaines couleurs contre nature.

Au milieu des années 1990, des diodes électroluminescentes blanches (LED) sont devenues disponibles, qui fonctionnent selon un processus similaire. Typiquement, le semi-conducteur électroluminescent réel produit de la lumière dans la partie bleue du spectre, qui heurte un composé de phosphore déposé sur la puce; le phosphore émet une fluorescence de la partie verte vers la partie rouge du spectre. La combinaison de la lumière bleue qui traverse le phosphore et de la lumière émise par le phosphore produit une émission nette de lumière blanche.

Le lampadaire à vapeur de mercure moderne aurait été développé à partir de la lampe fluorescente.

Les bâtons lumineux oxydent l'ester d'oxalate de phényle pour produire de la lumière.

L'éclairage fluorescent compact (CFL) est le même que n'importe quelle lampe fluorescente typique avec des avantages. Il est auto-ballasté et utilisé pour remplacer les incandescentes dans la plupart des applications. Ils produisent un quart de la chaleur par lumen sous forme d'ampoules à incandescence et durent environ cinq fois plus longtemps. Ces ampoules contiennent du mercure et doivent être manipulées et éliminées avec soin.

Chimie analytique

La fluorescence dans plusieurs longueurs d'onde peut être détectée par un détecteur matriciel, pour détecter les composés à partir d'un flux HPLC. De plus, les plaques de chromatographie sur couche mince (CCM) peuvent être visualisées si les composés ou un réactif colorant sont fluorescents.

Les empreintes digitales peuvent être visualisées avec des composés fluorescents tels que la ninhydrine.

Biochimie et médecine

Les molécules biologiques peuvent être marquées avec un groupe chimique fluorescent (fluorophore) par une simple réaction chimique, et la fluorescence du marqueur permet une détection sensible et quantitative de la molécule. Les exemples comprennent:

  • La microscopie à fluorescence des tissus, des cellules ou des structures subcellulaires est réalisée en marquant un anticorps avec un fluorophore et en permettant à l'anticorps de trouver son antigène cible dans l'échantillon. Marquer plusieurs anticorps avec différents fluorophores permet de visualiser plusieurs cibles au sein d'une même image.
  • Séquençage automatisé de l'ADN par la méthode de terminaison de chaîne; chacune des quatre bases de terminaison de chaîne différentes a sa propre étiquette fluorescente spécifique. Au fur et à mesure que les molécules d'ADN marquées sont séparées, le marqueur fluorescent est excité par une source UV et l'identité de la base qui termine la molécule est identifiée par la longueur d'onde de la lumière émise.
  • Détection d'ADN: le bromure d'éthidium composé, lorsqu'il est libre de changer sa conformation en solution, a très peu de fluorescence. La fluorescence du bromure d'éthidium est considérablement améliorée lorsqu'il se lie à l'ADN, ce composé est donc très utile pour visualiser l'emplacement des fragments d'ADN dans l'électrophorèse sur gel d'agarose. Le bromure d'éthidium peut être toxique; une alternative plus sûre est le colorant SYBR Green.
  • La puce à ADN
  • Immunologie: un anticorps a un groupe chimique fluorescent attaché, et les sites (par exemple, sur un échantillon microscopique) où l'anticorps s'est lié peuvent être vus, et même quantifiés, par la fluorescence.
  • FACS (tri cellulaire activé par fluorescence)
  • La fluorescence a été utilisée pour étudier la structure et les conformations de l'ADN et des protéines avec des techniques telles que le transfert d'énergie par résonance de fluorescence, qui mesure la distance au niveau de l'angström. Ceci est particulièrement important dans les complexes de biomolécules multiples.
  • Aequorin, de la méduse Aequorea victoria, produit une lueur bleue en présence de Ca2+ ions (par une réaction chimique). Il a été utilisé pour visualiser le flux de calcium dans les cellules en temps réel. Le succès de l’équorine a incité à poursuivre les recherches sur A. victoria et a conduit à la découverte de la protéine verte fluorescente (GFP), qui est devenue un outil de recherche extrêmement important. La GFP et les protéines apparentées sont utilisées comme rapporteurs pour un certain nombre d'événements biologiques, y compris des éléments tels que la localisation sous-cellulaire. Les niveaux d'expression des gènes sont parfois mesurés en reliant un gène pour la production de GFP à un autre gène.

De plus, de nombreuses molécules biologiques ont une fluorescence intrinsèque qui peut parfois être utilisée sans avoir besoin d'attacher une étiquette chimique. Parfois, cette fluorescence intrinsèque change lorsque la molécule se trouve dans un environnement spécifique, de sorte que la distribution ou la liaison de la molécule peut être mesurée. La bilirubine, par exemple, est hautement fluorescente lorsqu'elle est liée à un site spécifique de l'albumine sérique. La protoporphyrine de zinc, formée lors du développement des globules rouges au lieu de l'hémoglobine lorsque le fer n'est pas disponible ou le plomb est présent, a une fluorescence brillante et peut être utilisée pour détecter ces problèmes.

Depuis 2006, le nombre d'applications de fluorescence augmente dans les sciences biomédicales biologiques et connexes. Les méthodes d'analyse dans ces domaines se développent également, mais avec une nomenclature de plus en plus malheureuse sous forme d'acronymes tels que: FLIM, FLI, FLIP, CALI, FLIE, FRET, FRAP, FCS, PFRAP, smFRET, FIONA, FRIPS, SHREK, SHRIMP , TIRF. La plupart de ces techniques reposent sur des microscopes à fluorescence. Ces microscopes utilisent des sources de lumière à haute intensité, généralement des lampes au mercure ou au xénon, des LED ou des lasers, pour exciter la fluorescence dans les échantillons sous observation. Les filtres optiques séparent ensuite la lumière d'excitation de la fluorescence émise, à détecter à l'œil nu, ou avec une caméra (CCD) ou d'autres détecteurs de lumière (tubes photomultiplicateurs, spectrographes, etc.). De nombreuses recherches sont en cours pour améliorer les capacités de ces microscopes, les sondes fluorescentes utilisées et les applications auxquelles elles sont appliquées. Les microscopes confocaux, qui utilisent un sténopé pour réaliser une coupe optique, offrent une vue 3D quantitative de l'échantillon.

Sécurité

Les ampoules fluorescentes produisent beaucoup moins de chaleur perdue que les ampoules incandescentes et halogènes. Les ampoules halogènes sont impliquées dans un grand nombre d'incendies et les ampoules à incandescence présentent également un risque d'incendie plus élevé que les ampoules fluorescentes, en raison de la chaleur perdue. Les lampes peuvent basculer accidentellement ou parfois lors d'événements tels que des tremblements de terre. L'utilisation d'ampoules fluorescentes peut ainsi être un moyen de prévenir les incendies accidentels. Cependant, les ampoules fluorescentes peuvent contenir du mercure, et la rupture d'une telle ampoule pourrait entraîner un déversement coûteux de mercure.

Considérations théoriques

Photochimie

La fluorescence se produit lorsqu'une molécule ou un point quantique se détend à son état fondamental après avoir été excité électroniquement.

Excitation:

Fluorescence (émission): , ici est un terme générique pour l'énergie des photons où: h = constante de Planck et = fréquence de la lumière. (Les fréquences spécifiques de la lumière excitante et émise dépendent du système particulier.)

États0 est appelé l'état fondamental du fluorophore (molécule fluorescente) et S1 est son premier état (électroniquement) excité.

Une molécule dans son état excité, S1, peut se détendre par différentes voies concurrentes. Il peut subir une «relaxation non radiative» dans laquelle l'énergie d'excitation est dissipée sous forme de chaleur (vibrations) vers le solvant. Les molécules organiques excitées peuvent également se détendre par conversion en un état triplet qui peut ensuite se détendre par phosphorescence ou par une étape de relaxation non radiative secondaire.

Relaxation d'un S1 l'état peut également se produire par interaction avec une deuxième molécule par extinction de fluorescence. Oxygène moléculaire (O2) est un extincteur de fluorescence extrêmement efficace en raison de son état fondamental triplet inhabituel.

Les molécules qui sont excitées par absorption de lumière ou via un processus différent (par exemple en tant que produit d'une réaction) peuvent transférer de l'énergie vers une seconde molécule `` sensibilisée '', qui est convertie à son état excité et peut alors fluorescer. Ce processus est utilisé dans les bâtons lumineux.

Rendement quantique de fluorescence

Le rendement quantique de fluorescence donne l'efficacité du processus de fluorescence. Il est défini comme le rapport du nombre de photons émis au nombre de photons absorbés.

Le rendement quantique de fluorescence maximum est de 1,0 (100%); chaque photon absorbé entraîne l'émission d'un photon. Les composés avec des rendements quantiques de 0,10 sont toujours considérés comme assez fluorescents. Une autre façon de définir le rendement quantique de la fluorescence, est par les taux de décroissance de l'état excité:

est le taux d'émission spontanée de rayonnement et

est la somme de tous les taux de décroissance de l'état excité. D'autres taux de décroissance de l'état excité sont causés par des mécanismes autres que l'émission de photons et sont donc souvent appelés «taux non radiatifs», qui peuvent inclure: extinction collisionnelle dynamique, interaction dipôle-dipôle en champ proche (ou transfert d'énergie de résonance), conversion interne et croisement intersystèmes. Ainsi, si le taux de toute voie change, cela affectera à la fois la durée de vie de l'état excité et le rendement quantique de fluorescence.

Le rendement quantique de fluorescence est mesuré par comparaison à un standard de quantologie connue; le sel de quinine, le sulfate de quinine, dans une solution d'acide sulfurique est un standard de fluorescence courant.

Durée de vie de fluorescence

La durée de vie de fluorescence fait référence au temps moyen pendant lequel la molécule reste dans son état excité avant d'émettre un photon. La fluorescence suit généralement une cinétique de premier ordre:

est la concentration de molécules à l'état excité au moment , est la concentration initiale et est le taux de décroissance ou l'inverse de la durée de vie de fluorescence. Ceci est un exemple de décroissance exponentielle. Divers processus radiatifs et non radiatifs peuvent dépeupler l'état exécuté. Dans ce cas, le taux de désintégration total est la somme de tous les taux:

est le taux de désintégration total, le taux de décroissance radiative et le taux de désintégration non radiatif. Elle est similaire à une réaction chimique de premier ordre dans laquelle la constante de vitesse de premier ordre est la somme de toutes les vitesses (un modèle cinétique parallèle). Si le taux d'émission spontanée ou l'un des autres taux est rapide, la durée de vie est courte. Pour les composés fluorescents couramment utilisés, les temps de désintégration à l'état excité typiques des composés fluorescents qui émettent des photons avec des énergies des UV au proche infrarouge se situent dans la plage de 0,5 à 20 nanosecondes. La durée de vie de la fluorescence est un paramètre important pour les applications pratiques de la fluorescence telles que le transfert d'énergie par résonance de fluorescence.

Règles

Il existe plusieurs règles concernant la fluorescence. le Règle de Kasha-Vavilov dicte que le rendement quantique de la luminescence est indépendant de la longueur d'onde du rayonnement excitant.

Cette règle n'est pas toujours valable et est violée gravement dans de nombreuses molécules simples. Une déclaration quelque peu plus fiable, bien que toujours à quelques exceptions près, est que le spectre de fluorescence montre très peu de dépendance à la longueur d'onde du rayonnement excitant.

Voir également

Les références

  • Lakowicz, Joseph R. 2006. Principes de la spectroscopie de fluorescence, 3e éd. New York: Springer. ISBN 978-0387312781
  • Turro, Nicholas J. 1991. Photochimie moléculaire moderne. Mill Valley, Californie: University Science Books. ISBN 0935702717
  • Valeur, Bernard. 2002. Fluorescence moléculaire: principes et applications. Weinheim: Wiley-VCH. ISBN 352729919X

Liens externes

Tous les liens ont été récupérés le 14 avril 2017.

Voir la vidéo: Fluorescence (Juillet 2020).

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