Fluorestsents

Fluorestsents (sõna tuleneb mineraalist fluoriit^[1]) on valguse kiirgumine ainest, mis on eelnevalt ergastatud UV-kiirgusega või nähtava valgusega.^[2] See on luminestsentsi alaliik.

Fluorestseeruv orgaaniline ühend nimega eskuliin

Valik fluorestseeruvaid aineid UV-valguses

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, seda kasutatakse näiteks 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 ^[3]. Selle fluorestsentsi põhjustas keemiline ühend, mis on ühe selles puus leiduva flavonoidi redoksreaktsiooni produkt.^[4]

1819. aastal kirjeldas Edward D. Clarke ja 1822. aastal René Just Haüy fluorestsentsi fluoriidis, 1833. aastal kirjeldas Sir David Brewster seda fenomeni klorofüllis ja 1845. aastal Sir John Herschel hiniinis.

1852. aastal kirjutas George Gabriel Stokes oma artiklis fluoriidist ja uraaniklaasist, mida ta kirjeldas kui materjale, millel on võime muuta nähtamatut ultraviolettkiirgust nähtavaks pikema lainepikkusega kiirguseks. Ta nimetas seda fenomeni fluorestsentsiks.^[5] Nimetuse tuletas ta fluoriidist. Oma põhikatses kasutas ta prismat ultraviolettkiirguse eraldamiseks päikesekiirgusest, kiiritas sellega hiniini etanoolilahust ja täheldas selle tagajärjel sinist valgust.

Võrrandid

Fotokeemia

Fluorestsents toimub, kui pärast kõrgemale energianivoole ergastamist emiteerib elektron valgusefootoni ja seeläbi relakseerub oma põhiolekusse.

Ergastus: $S_{0}+h\nu _{erg}\to S_{1}$

Fluorestsents (kiirgumine): $S_{1}\to S_{0}+h\nu _{em}+soojus$

Hiniini fluorestsentsi kustutamine kloriidioonide toimel. Vasakus klaasis on hiniinilahus koos naatriumkloriidiga ja paremas klaasis on hiniinilahus puhtalt

$h\nu$ on footoni energia üldtuntud tähistus, kus h on Plancki konstant ja $\nu$ (väike kreeka täht nüü) on valguse sagedus. Olekut S₀ nimetatakse fluorofoori põhiolekuks ja S₁ on tema esimene elektroonse ergastuse tase. Molekul võib oma ergastatud olekust relakseeruda mitme omavahel konkureeriva viisiga:

Soojuslik üleminek põhiolekusse S₀, kus energia vabaneb soojusena.
Intersüsteemne üleminek tripletsesse olekusse ja sealt edasi kiirguslik üleminek põhiolekusse. Seda nimetatakse fosforestsentsiks. Ka tripletsest olekust võib toimuda kiirguseta soojuslik üleminek põhiolekusse S₀.
Fluorestsents, kus toimub kiirguslik üleminek põhiolekusse S₀.

S₁ olekust relakseerumine võib toimuda ka teise molekuliga vastastikmõju toimel, mida nimetatakse fluorestsentsi kustutamiseks. Näiteks molekulaarne hapnik (O₂) on väga tugev ja efektiivne fluorestsentsi kustutaja oma ebatavalise tripletse põhioleku tõttu. Ergastatud molekulid võivad oma energia üle kanda ka mõnele teisele tundlikuks muudetud molekulile, mis ise seeläbi ergastub ja fluorestseerub.

Kvantsaagis

Fluorestsentsi kvantsaagis näitab fluorestsentsi efektiivsust. Seda väljendatakse emiteerunud footonite ja neelatud footonite arvuhulkade suhtega.

\Phi ={\frac {\textrm {emiteerunud\ footonite\ arv}}{\textrm {neelatud\ footonite\ arv}}}

Maksimaalne fluorestsentsi kvantsaagis võib olla 1,0 (100%); iga neeldunud footon ka kiiratakse. Ka ühendid, mille fluorestseerumise kvantsaagis on 0,1, loetakse üsna fluorestseeruvate ühendite alla. Teine võimalus, kuidas defineerida fluorestsentsi kvantsaagist, on kiirgusliku relakseerumise ja kõikide relakseerumisviiside kiiruskonstantide suhte abil.

\Phi ={\frac {{k}_{f}}{\sum _{i}{k}_{i}}}

kus ${k}_{f}$ fluorestsentskiirguse kiiruskonstant ja

\sum _{i}{k}_{i}

on kõikide võimalike relakseerumisprotsesside kiirguskonstantide summa. Teised relakseerumisprotsessid on põhjustatud protsessidest, mis ei sisalda footoni kiirgamist, ja on seetõttu kutsutud mittekiirguslikeks üleminekuteks. Kui ükskõik millise ülemineku kiirus muutub, siis nii ergastatud oleku eluiga kui ka fluorestsentsi kvantsaagis on mõjutatud.^[2] Fluorestsentsi kvantsaagist mõõdetakse standardiga võrreldes. Tavapärane fluorestsentsi standard on hiniinsulfaat väävelhappes.

Eluiga

Fluorestsentsi eluiga näitab keskmiselt, kui kaua on molekul ergastatud olekus enne footoni kiirgamist. Tavaliselt järgib fluorestsents esimest järku reaktsioonikineetikat.

\left[S1\right]=\left[S1\right]_{0}e^{-\Gamma t}

kus $\left[S1\right]$ on ajahetkel $t$ ergastatud olekus molekulide kontsentratsioon, $\left[S1\right]_{0}$ on algkontsentratsioon ja $\Gamma$ on relakseerumise kiirus või ümberpööratud fluorestsentsi eluiga. Tegemist on eksponentsiaalse vähenemisega. Ka mittekiirguslikud protsessid võivad ergastatud olekus olevate elektronide arvu vähendada. Sel juhul on fluorestsentsi kustumise kiirus kõikide relakseerumisprotsesside kiiruste summa:

\Gamma _{kogu}=\Gamma _{kiirguslik}+\Gamma _{mittekiirguslik}

kus $\Gamma _{kogu}$ on täielik kustumise kiirus ja $\Gamma _{mittekiirguslik}$ on mittekiirgusliku kustumise kiirus. Kui mõne relakseerumisprotsessi kiirus on suur, siis fluorestsentsi eluiga on lühike. Enamkasutatavamate fluorestsentsühendite puhul on tavaline fluorestsentsi eluiga 0,5–20 nanosekundit. Fluorestsentsi eluiga on tähtis parameeter praktiliste rakenduste juures, nagu näiteks Försteri resonantsenergia ülekandes.

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 ilmneda mitmed lainepikkused Stokesi nihke ja muude 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.

Fluorestsentsi vaatlemiseks ja fluorestseeruvate objektide avastamiseks kasutatakse tihti ka taskulampe, mis annavad välja kiirgust UV-A lainevahemikus. Harvemini kasutatakse UV-B ja UV-C lampe (näiteks mineraalide vaatlemisel), kuid mille kiirgus on kahjustav ning nõuab kaitsevahendite kasutamist.

Ühendite struktuur

Fluoreen

Bifenüül

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 väiksem 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. Väike 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 intensiivsus vabal 8-hüdroksükinoliinil on palju väiksem kui tema jäigal metallikompleksil. Elektrodonoorsete rühmade rohkus ja elektronaktseptoorsete rühmade vähesus suurendavad fluorestsentsi tõenäosust.^[6]

Happelise või aluselise kõrvalrühmaga aromaatse ühendi fluorestseerumisvõime sõltub tavaliselt pH-st. Nii emiteeruva kiirguse lainepikkus kui ka intensiivsus on ühendi ioniseeritud ja mitteioniseeritud vormi korral tõenäoliselt erinevad.

Rakendused

Veise kopsuarteri endoteeli rakud kultuuris. Sinine märgib rakutuumasid, punane mitokondreid, roheline mikrofilamente. Organellid on värvitud spetsiifiliste fluorestseeruvate värvidega, 3D-pilt on tehtud laserskaneeriva konfokaalmikroskoobiga ja organellide 3D-mudel on konstrueeritud tarkvara abil. Heiti Paves, TTÜ

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 suure tundlikkuse tõttu on võimalik mõõta väga väikseid 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).

Jaguneva raku fluorestsents. DNA on sinine, valk nimega INCEP on roheline ja mikrotuubulid on punased. Iga fluorofoori pildistati eraldi vastavate lainepikkuste juures ja seejärel fotod ühendati

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.

Biokeemia ja meditsiin

Loodusteadustes kasutatakse fluorestsentsi mittedestruktiivse viisina bioloogiliste molekulide uurimisel. Kuna vähesed rakukomponendid on iseeneslikult fluorestseeruvad (autofluorestsents), siis saab neid jälgida kindlal sagedusel, kus puudub taustamüra ergastavast kiirgusest. Ka valku või mõnda muud ühendit saab märgistada välise fluorofooriga: fluorestsentsvärviga. Värvi kvantifitseerimist saab teha spektrofluoromeetriga ja seda rakendatakse näiteks järgmistel juhtudel:

Fluorestsentsmikroskoopias, kus skaneeritakse kudesid, rakke või rakusiseseid struktuure. Antikeha märgistatakse fluorofooriga ja lastakse sel leida proovis oma sihtmärk: antigeen. Erinevate antikehade märgistamine erinevate fluorofooridega võimaldab korraga visualiseerida mitu sihtmärki.
Automatiseeritud DNA järjestamises on igal neljast ahela lõpus olevast alusest oma spetsiaalne fluorestseeruv märgis. Kui märgistatud DNA molekul on eraldatud, ergastatakse märgis UV-kiirgusega ja molekuli lõpus asuvat alust saab kindlaks teha emiteeruva valguse lainepikkuse järgi.

Etiidiumbromiid

DNA detekteerimisel kasutatakse ka etiidiumbromiidi. Kui etiidiumbromiid on lahuses vabalt, fluorestseerib ta vähe. Ta fluorestseeruvad omadused suurenevad märgatavalt pärast seondumist DNA molekuliga. Seega on see ühend väga kasulik DNA fragmentide visualiseerimisel. Samas võib etiidiumbromiid olla kantserogeenne, ohutum alternatiiv oleks kasutada värvi SYBR Green.
Immunoloogias kinnitatakse antikehale fluorestseeruv rühm ja kohad, kuhu antikeha kinnitub, on fluorestsentsi tõttu näha ja isegi kvantifitseeritavad.
FRET (Försteri resonantsenergia ülekanne) on kasutusel valkude interaktsioonide uurimisel, nukleiinhapete järjestuse tuvastamisel ja biosensoritena. Fluorestsentsi eluaeg annab siin veel lisainformatsiooni juurde.

Looduses

Loomad

Pikemalt artiklis UV-indutseeritud fotoluminestsents loomadel

2019. aastal täheldati et Ameerika lendoravlased perekonnast Glaucomys fluorestseeruvad roosakalt. Ultravioletis fluorestseeruv karv on ka mitmetel opossumlastel.^[7]

Vaata ka

Viited

↑ 1981. Tehnikaleksikon. Tallinn, Valgus. 656 lk
↑ ^2,0 ^2,1 Principles Of Instrumental Analysis F.James Holler, Douglas A. Skoog & Stanley R. Crouch 2006
↑ A Brief History of Fluorescence and Phosphorescence before the Emergence of Quantum Theory Bernard Valeur and Mrio N. Berberan-Santos J. Chem. Educ., 2011, 88 (6), pp 731–738, doi 10.1021/ed100182h
↑ Structure and Formation of the Fluorescent Compound of Lignum nephriticum A. Ulises Acua, Francisco Amat-Guerri, Purificacin Morcillo, Marta Liras and Benjamn Rodrguez Org. Lett., 2009, 11 (14), pp 3020–3023, doi 10.1021/ol901022g
↑ Stokes, G. G. (1852). "On the Change of Refrangibility of Light". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 142: 463–562. DOI:10.1098/rstl.1852.0022. ISSN 0261-0523.
↑ "Aine "Spektroskoopilised analüüsimeetodid" loengumaterjalid Tartu Ülikoolis" (PDF). Originaali (PDF) arhiivikoopia seisuga 18. jaanuar 2012. Vaadatud 3. novembril 2011.
↑ "Flying squirrels secretly glow pink thanks to fluorescence". Animals. 31. jaanuar 2019. Vaadatud 28. detsembril 2022.

[Tehnikaleksikon-1] 1981. Tehnikaleksikon. Tallinn, Valgus. 656 lk

[Skoog-2] 2,0 ^2,1 Principles Of Instrumental Analysis F.James Holler, Douglas A. Skoog & Stanley R. Crouch 2006

[Valeur-3] A Brief History of Fluorescence and Phosphorescence before the Emergence of Quantum Theory Bernard Valeur and Mrio N. Berberan-Santos J. Chem. Educ., 2011, 88 (6), pp 731–738, doi 10.1021/ed100182h

[Acua-4] Structure and Formation of the Fluorescent Compound of Lignum nephriticum A. Ulises Acua, Francisco Amat-Guerri, Purificacin Morcillo, Marta Liras and Benjamn Rodrguez Org. Lett., 2009, 11 (14), pp 3020–3023, doi 10.1021/ol901022g

[Stokes-5] Stokes, G. G. (1852). "On the Change of Refrangibility of Light". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 142: 463–562. DOI:10.1098/rstl.1852.0022. ISSN 0261-0523.

[tera-6] "Aine "Spektroskoopilised analüüsimeetodid" loengumaterjalid Tartu Ülikoolis" (PDF). Originaali (PDF) arhiivikoopia seisuga 18. jaanuar 2012. Vaadatud 3. novembril 2011.

[Animals_2019-7] "Flying squirrels secretly glow pink thanks to fluorescence". Animals. 31. jaanuar 2019. Vaadatud 28. detsembril 2022.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]