Будьте завжди в курсі!
Дізнавайтесь про новітні розробки першими
Новини
Всі новини
15 Травня 2024
Нове покоління камер AF-Zoom від Active Silicon
9 Травня 2024
Нова інтеграційна сфера QYPro від Edinburgh Instruments
Проста фізика: Люмінесценція
05.12.2019
Яка різниця між люмінесценцією, фотолюмінесценцією, флуоресценцією та фосфоресценцією?
Малюнок 1 (праворуч): Приклади люмінесценції.
Зверху ліворуч: фотолюмінесценція з квантових точкових напівпровідників.
Вгорі справа: хемілюмінесценція (біолюмінесценція) медуз
Знизу зліва: радіолюмінесценція тритієвого циферблату (Джерело: Nite Watches)
Праворуч знизу: електролюмінесценція OLED-дисплея смартфону
Терміни люмінесценція, фотолюмінесценція, флуоресценція та фосфоресценція зазвичай використовуються в дослідницьких роботах для опису випромінювання світла від зразка. Це множинне найменування може бути сумішшю з кількох термінів, які можуть використовуватись заміняючи один одного, і дослідники з різних наукових груп вважають за правильне використовувати одну назву замість іншої. У цій статті ми відповідаємо на питання "Яка різниця між люмінесценцією, фотолюмінесценцією, флуоресценцією та фосфоресценцією".
Що таке люмінесценція?
Люмінесценція - це будь-яке випромінювання світла (електромагнітних хвиль) від речовини, що виникає не при нагріванні.
Це визначення відрізняє люмінесценцію від розжарювання, що спричиняє випромінювання світла через підвищену температуру речовини, наприклад, так світиться гаряче вугілля. Слово люмінесценція походить від латинських слів lumen - світло,
та escentia - процес, отже, означає процес виділення світла.
Існує багато типів люмінесценції, які можна класифікувати за джерелом енергії, яке ініціює процес люмінесценції.
Огляд різних типів люмінесценції та джерел їх енергії наведено на Малюнку 2. Багато з процесів люмінесценції мають важливі наукові та промислові сфери застосування, такі як електролюмінесценція, де випромінюється світло при рекомбінації електронів і дірок після дії електричного поля на матеріал, що є принципом роботи світлодіодів, і хемілюмінесценція, коли випромінювання світла ініціюється хімічною реакцією, що використовується в біологічних аналізах та в хімічних джерелах світла. Однак у цій статті основна увага приділяється фотолюмінесценції, яка є основою роботи спектроскопічної техніки для проведення неруйнівного контролю, фотолюмінесцентної спектроскопії, що широко використовується як в наукових дослідженнях, так і в промисловості.
Малюнок 2: Типи люмінесценції та джерела їх енергії
Що таке фотолюмінесценція?
Фотолюмінесценція - це випромінювання світла матеріалом, що відбувається слідом за поглинанням ним світла.
Слово саме по собі цікаве тим, що воно є поєднанням латинського слова luminescence та грецького префікса photo- для світла. Будь-яка люмінесценція, що індукується поглинанням фотонів, називається фотолюмінесценцією. Це може бути як випромінювання світла молекулою органічного барвника у розчині (мал. 3а), так і результат міжзонної рекомбінації електронів та дірок після фотоекспозиції напівпровідника (мал. 3б).
Малюнок 3: Приклади фотолюмінесценції
(а) спектр фотолюмінесценції флуоресцеїну в натрій-фосфатному буфері
(б) спектр фотолюмінесценції міжзонної рекомбінації у напівпровіднику CH₃NH₃PbI₃
Вимірювання проведені за допомогою фотолюмінесцентного спектрометра FLS1000
Опис будь-якого випромінювання світла, що спричинене поглинанням фотона, терміном фотолюмінесценція є правильним; однак загально використовуваним, особливо хіміками, є подальше розділення фотолюмінесценції на флуоресценцію та фосфоресценцію.
Чим відрізняється флуоресценція від фосфоресценції?
Існують різні визначення флуоресценції та фосфоресценції, найпростішим є те, що флуоресценція - це коротка фотолюмінесценція, яка дуже швидко зникає після фотоекспозиції речовини, тоді як фосфоресценція - це довготривала фотолюмінесценція, яка триває довгий час після припинення фотозбудження. Це визначення просте і воно не пояснює, чому виникає така різниця у часових масштабах фотолюмінесценції, а деякі матеріали можуть потрапляти в сіру область між класичними часовими шкалами флуоресценції та фосфоресценції. Більш детальне визначення повинно базуватися на квантовій механіці збуджених і стабільних станів, що беруть участь у процесі випромінювання. Використовуючи цей підхід, флуоресценція та фосфоресценція можуть бути визначені як фотолюмінесценція, де радіаційний перехід не вимагає зміни спінової кратності та фотолюмінесценції, де радіаційний перехід передбачає зміну спінової кратності відповідно.
Флуоресценція та фосфоресценція найчастіше використовуються для позначення фотолюмінесценції з молекулярних систем. Електрони в стабільних молекулах завжди існують парами, оскільки молекули з неспареними електронами є надзвичайно реагуючими і нестабільними. Електрони володіють власним кутовим моментом, відомим як "спін", і пара електронів може існувати в одному з двох повних спінових станів в залежності від відносної симетрії спінів двох електронів. Якщо два спіни знаходяться в антисиметричній конфігурації, електронна пара має повний спін рівний нулю (S = 0), навпаки, якщо вони знаходяться у симетричній конфігурації, то пара має повний спін рівний одиниці (S = 1). Як показано на малюнку 4, існує одна комбінація станів спінової пари електронів, яка є антисиметричною, і три комбінації станів спінової пари, які є симетричними, і відповідно, стани S = 0 і S = 1 називаються синглетними і триплетними.
Малюнок 4: Синглетний та триплетний стани за замовчуванням
Коли фотон поглинається молекулою, один з електронів переходить на більш високий рівень енергії, і молекула переходить у збуджений стан. Оскільки основний стан молекули (майже) завжди є синглетним станом (S0), то внаслідок збереження моменту імпульсу, фотозбуджений стан також повинен бути синглетним (S1), як показано на діаграмі Яблонського нижче. Перехід стану S1 назад до S0 - це дозволений перехід (оскільки обидва стани мають однакову спінову кратність), який призводить до швидкої фотолюмінесценції, яка виникає в часовій шкалі від пікосекунд до наносекунд і називається флуоресценцією.
Малюнок 5: Діаграма Яблонського з процесами флуоресценції та фосфоресценції та їх типовими константами швидкості
В альтернативному варіанті, молекула може зазнати інтеркомбінаційного переходу (intersystem crossing - ISC) до збудженого триплетного стану (T1). ISC зазвичай відбувається в молекулах з високим ступенем спін-орбітальної взаємодії, взаємодії орбітального кутового моменту і спінового кутового моменту електрона, що дозволяє здійснювати перетворення між синглетним і триплетним станами. Ступінь спін-орбітальної взаємодії зростає з масою атома, тому фосфоресцентні молекули повинні містити важкі метали, такі як європій та іридій. Перехід стану T1 назад до S0 є забороненим переходом, оскільки стани мають різну спінову кратність через збереження кутового моменту. Однак спін-орбітальна взаємодія послаблює це обмеження і стає можливим радіаційний перехід від T1 до S1. Оскільки «заборонена» фотолюмінесценція, що виникає в результаті переходу T1 до S0, відбувається у набагато повільнішому часовому масштабі, від мікросекунд до тисяч секунд, вона називається фосфоресценцією.
Малюнок 6
(а) затухання флуоресценції 9-аміноакридинового розчину, що має тривалість життя 16 нс
(б) затухання фосфоресценції розчину Eu2O3, що має тривалість життя 120 мкс
Виміряно за допомогою спектрометра фотолюмінесценції FLS1000
Слід також зазначити, що випромінювання з деяких матеріалів не завжди точно підпадають під ту чи іншу категорію.
Прикладом цього є термічно активована уповільнена флуоресценція (thermally activated delayed fluorescence - TADF).
У TADF рівні S1 і T1 близькі за енергією і сильно взаємодіють, і тому можливий зворотний ISC від T1 до S1.
Це призводить до затримки переходу від S1 до S0, що призводить до фотолюмінесценції в часовому інтервалі між флуоресценцією та фосфоресценцією, відомим як запізніла флуоресценція.
Характеризування випромінювання як фотолюмінесценція або флуоресценція / фосфоресценція, у кінцевому рахунку зводиться до особистого вибору. Хіміки та біологи, які в основному вивчають молекулярні системи, віддають перевагу використанню термінів флуоресценція та фосфоресценція, оскільки в сильно локалізованих молекулярних системах є чіткі синглетні та триплетні стани. Навпаки, фізики переважно вивчають напівпровідні матеріали, де електрони сильно делокалізовані, а поняття синглет і триплет часто перестає бути актуальним. Це одна з причин, чому фізики схильні використовувати ширший термін фотолюмінесценція для опису процесу випромінювання світла.
Як би ви його не назвали: фотолюмінесценція, флуоресценція та фосфоресценція може забезпечити багату інформацію про властивості молекул та матеріалів, від визначення часу життя носіїв заряду в сонячних елементах до вимірювання динаміки сольватації навколо міцел в живих клітинах.
Джерело: edinst.com/blog
Малюнок 1 (праворуч): Приклади люмінесценції.
Зверху ліворуч: фотолюмінесценція з квантових точкових напівпровідників.
Вгорі справа: хемілюмінесценція (біолюмінесценція) медуз
Знизу зліва: радіолюмінесценція тритієвого циферблату (Джерело: Nite Watches)
Праворуч знизу: електролюмінесценція OLED-дисплея смартфону
Терміни люмінесценція, фотолюмінесценція, флуоресценція та фосфоресценція зазвичай використовуються в дослідницьких роботах для опису випромінювання світла від зразка. Це множинне найменування може бути сумішшю з кількох термінів, які можуть використовуватись заміняючи один одного, і дослідники з різних наукових груп вважають за правильне використовувати одну назву замість іншої. У цій статті ми відповідаємо на питання "Яка різниця між люмінесценцією, фотолюмінесценцією, флуоресценцією та фосфоресценцією".
Що таке люмінесценція?
Люмінесценція - це будь-яке випромінювання світла (електромагнітних хвиль) від речовини, що виникає не при нагріванні.
Це визначення відрізняє люмінесценцію від розжарювання, що спричиняє випромінювання світла через підвищену температуру речовини, наприклад, так світиться гаряче вугілля. Слово люмінесценція походить від латинських слів lumen - світло,
та escentia - процес, отже, означає процес виділення світла.
Існує багато типів люмінесценції, які можна класифікувати за джерелом енергії, яке ініціює процес люмінесценції.
Огляд різних типів люмінесценції та джерел їх енергії наведено на Малюнку 2. Багато з процесів люмінесценції мають важливі наукові та промислові сфери застосування, такі як електролюмінесценція, де випромінюється світло при рекомбінації електронів і дірок після дії електричного поля на матеріал, що є принципом роботи світлодіодів, і хемілюмінесценція, коли випромінювання світла ініціюється хімічною реакцією, що використовується в біологічних аналізах та в хімічних джерелах світла. Однак у цій статті основна увага приділяється фотолюмінесценції, яка є основою роботи спектроскопічної техніки для проведення неруйнівного контролю, фотолюмінесцентної спектроскопії, що широко використовується як в наукових дослідженнях, так і в промисловості.
Малюнок 2: Типи люмінесценції та джерела їх енергії
Що таке фотолюмінесценція?
Фотолюмінесценція - це випромінювання світла матеріалом, що відбувається слідом за поглинанням ним світла.
Слово саме по собі цікаве тим, що воно є поєднанням латинського слова luminescence та грецького префікса photo- для світла. Будь-яка люмінесценція, що індукується поглинанням фотонів, називається фотолюмінесценцією. Це може бути як випромінювання світла молекулою органічного барвника у розчині (мал. 3а), так і результат міжзонної рекомбінації електронів та дірок після фотоекспозиції напівпровідника (мал. 3б).
Малюнок 3: Приклади фотолюмінесценції
(а) спектр фотолюмінесценції флуоресцеїну в натрій-фосфатному буфері
(б) спектр фотолюмінесценції міжзонної рекомбінації у напівпровіднику CH₃NH₃PbI₃
Вимірювання проведені за допомогою фотолюмінесцентного спектрометра FLS1000
Опис будь-якого випромінювання світла, що спричинене поглинанням фотона, терміном фотолюмінесценція є правильним; однак загально використовуваним, особливо хіміками, є подальше розділення фотолюмінесценції на флуоресценцію та фосфоресценцію.
Чим відрізняється флуоресценція від фосфоресценції?
Існують різні визначення флуоресценції та фосфоресценції, найпростішим є те, що флуоресценція - це коротка фотолюмінесценція, яка дуже швидко зникає після фотоекспозиції речовини, тоді як фосфоресценція - це довготривала фотолюмінесценція, яка триває довгий час після припинення фотозбудження. Це визначення просте і воно не пояснює, чому виникає така різниця у часових масштабах фотолюмінесценції, а деякі матеріали можуть потрапляти в сіру область між класичними часовими шкалами флуоресценції та фосфоресценції. Більш детальне визначення повинно базуватися на квантовій механіці збуджених і стабільних станів, що беруть участь у процесі випромінювання. Використовуючи цей підхід, флуоресценція та фосфоресценція можуть бути визначені як фотолюмінесценція, де радіаційний перехід не вимагає зміни спінової кратності та фотолюмінесценції, де радіаційний перехід передбачає зміну спінової кратності відповідно.
Флуоресценція та фосфоресценція найчастіше використовуються для позначення фотолюмінесценції з молекулярних систем. Електрони в стабільних молекулах завжди існують парами, оскільки молекули з неспареними електронами є надзвичайно реагуючими і нестабільними. Електрони володіють власним кутовим моментом, відомим як "спін", і пара електронів може існувати в одному з двох повних спінових станів в залежності від відносної симетрії спінів двох електронів. Якщо два спіни знаходяться в антисиметричній конфігурації, електронна пара має повний спін рівний нулю (S = 0), навпаки, якщо вони знаходяться у симетричній конфігурації, то пара має повний спін рівний одиниці (S = 1). Як показано на малюнку 4, існує одна комбінація станів спінової пари електронів, яка є антисиметричною, і три комбінації станів спінової пари, які є симетричними, і відповідно, стани S = 0 і S = 1 називаються синглетними і триплетними.
Малюнок 4: Синглетний та триплетний стани за замовчуванням
Коли фотон поглинається молекулою, один з електронів переходить на більш високий рівень енергії, і молекула переходить у збуджений стан. Оскільки основний стан молекули (майже) завжди є синглетним станом (S0), то внаслідок збереження моменту імпульсу, фотозбуджений стан також повинен бути синглетним (S1), як показано на діаграмі Яблонського нижче. Перехід стану S1 назад до S0 - це дозволений перехід (оскільки обидва стани мають однакову спінову кратність), який призводить до швидкої фотолюмінесценції, яка виникає в часовій шкалі від пікосекунд до наносекунд і називається флуоресценцією.
Малюнок 5: Діаграма Яблонського з процесами флуоресценції та фосфоресценції та їх типовими константами швидкості
В альтернативному варіанті, молекула може зазнати інтеркомбінаційного переходу (intersystem crossing - ISC) до збудженого триплетного стану (T1). ISC зазвичай відбувається в молекулах з високим ступенем спін-орбітальної взаємодії, взаємодії орбітального кутового моменту і спінового кутового моменту електрона, що дозволяє здійснювати перетворення між синглетним і триплетним станами. Ступінь спін-орбітальної взаємодії зростає з масою атома, тому фосфоресцентні молекули повинні містити важкі метали, такі як європій та іридій. Перехід стану T1 назад до S0 є забороненим переходом, оскільки стани мають різну спінову кратність через збереження кутового моменту. Однак спін-орбітальна взаємодія послаблює це обмеження і стає можливим радіаційний перехід від T1 до S1. Оскільки «заборонена» фотолюмінесценція, що виникає в результаті переходу T1 до S0, відбувається у набагато повільнішому часовому масштабі, від мікросекунд до тисяч секунд, вона називається фосфоресценцією.
Малюнок 6
(а) затухання флуоресценції 9-аміноакридинового розчину, що має тривалість життя 16 нс
(б) затухання фосфоресценції розчину Eu2O3, що має тривалість життя 120 мкс
Виміряно за допомогою спектрометра фотолюмінесценції FLS1000
Слід також зазначити, що випромінювання з деяких матеріалів не завжди точно підпадають під ту чи іншу категорію.
Прикладом цього є термічно активована уповільнена флуоресценція (thermally activated delayed fluorescence - TADF).
У TADF рівні S1 і T1 близькі за енергією і сильно взаємодіють, і тому можливий зворотний ISC від T1 до S1.
Це призводить до затримки переходу від S1 до S0, що призводить до фотолюмінесценції в часовому інтервалі між флуоресценцією та фосфоресценцією, відомим як запізніла флуоресценція.
Характеризування випромінювання як фотолюмінесценція або флуоресценція / фосфоресценція, у кінцевому рахунку зводиться до особистого вибору. Хіміки та біологи, які в основному вивчають молекулярні системи, віддають перевагу використанню термінів флуоресценція та фосфоресценція, оскільки в сильно локалізованих молекулярних системах є чіткі синглетні та триплетні стани. Навпаки, фізики переважно вивчають напівпровідні матеріали, де електрони сильно делокалізовані, а поняття синглет і триплет часто перестає бути актуальним. Це одна з причин, чому фізики схильні використовувати ширший термін фотолюмінесценція для опису процесу випромінювання світла.
Як би ви його не назвали: фотолюмінесценція, флуоресценція та фосфоресценція може забезпечити багату інформацію про властивості молекул та матеріалів, від визначення часу життя носіїв заряду в сонячних елементах до вимірювання динаміки сольватації навколо міцел в живих клітинах.
Джерело: edinst.com/blog
