Применения люминесцентной спектроскопии

Применения люминесцентной спектроскопии

В основе метода лежит явление люминесценции, то есть способность вещества излучать свет при переходе электронов из возбуждённого состояния в основное. Возбуждение электронов может происходить различными способами, например, как правило это ультрафиолетовый или видимый свет, реже излучение в ИК диапазоне. Люминесценция может также быть индуцирована электронным пучком или рентгеновскими лучами.

После возбуждения электроны переходят в более высокое энергетическое состояние, а затем возвращаются в основное состояние с испусканием квантов света. Характер эмиссии зависит от структуры и состава материала, что позволяет использовать его для идентификации и анализа различных веществ, а также делать выводы об их структуре и свойствах.

Применения в химии и материаловедении

Люминесцентная спектроскопия в химии используется преимущественно для непосредственного изучения фотофизических свойств веществ и материалов или их производных.

— Фотофизические свойства новых соединений. Характеризация по спектрам возбуждения и эмиссии, временам жизни возбужденных состояний, квантовому выходу, анизотропии

— Идентификация ионов металлов, органических и неорганических молекул. Происходит как правило через комплексообразование идентифицируемой молекулы в соединение с устойчивой люминесценцией с последующим детектированием

— Структура соединений. Характер водородных связей, изомерия, комплексообразование и агрегация, упорядоченность и стабильность структуры в растворе, упаковка и кристаллическая структура материалов, квантово-размерные эффекты

— Катализ. Исследования активных центров катализа, процессов адсорбции/десорбции реагентов на поверхности катализатора, контроль качества (дефекты и примеси)

— Свойства полупроводников. Структура и свойства солнечных элементов, механизмы переноса заряда, рекомбинация и генерацию носителей, в том числе в сэндвичевых структурах, оптимизация основных параметров полупроводниковых элементов (ширина запрещенной зоны, время жизни носителей заряда)

— Свойства наноматериалов. Размер и форма кватовых точек и других наночастиц, структура и оптические свойства наноматериалов на основе углерода.

 

Применения в LifeScience

Люминесцентная спектроскопия в биологии напротив зачастую направлена на изучение изменений в структуре и свойствах флуоресцентных красителей, которые целенаправленно вводятся в систему (чаще всего белки и белковые комплексы). Это может быть и несколько красителей в одной системе (FRET-пара, то есть донор и акцептор энергии).

— Анализ белков и нуклеиновых кислот. Изучение структуры и функций с помощью флуоресцентных меток или автофлуоресценции триптофана и фенилаланина, механизмы взаимодействия, фолдинг/рефолдинг по FRET

— Функции клеток и тканей. Колокализация белков, их агрегация и изменения структуры в клеточном контексте методами FLIM/FRET, FCS и анизотропии, анализ продуктов метаболизма за счет детекции NAD/NADH⁺

— Детекция синглетного кислорода. Изучение механизмов действия препаратов, основанных на образовании активных форм кислорода и оценка эффективности фотодинамической терапии и оптимизации ее параметров, таких как доза фотосенсибилизатора, длина волны и интенсивность света. 

— Механизм реакций типа фермент-субстрат. Активность ферментов, кинетика взаимодействия с субстратом, аффинность.

— Биосенсинг. Определение белков, нуклеиновых кислот, препаратов, токсинов и других биомолекул

 

Применения в геологии

Люминесцентная спектроскопия в геологии может использоваться как для изучения электронных переходов в кристаллах минералов, так и для поиска и идентификации примесей в породах.

— Геммологическая экспертиза. Контроль подлинности, анализ дефектов и включений в минерале по оптическим свойствам (спектры и времена жизни люминесценции), определение происхождения и стоимости драгоценных камней

— Термолюминесцентное датирование. Определение происхождения и возраста горных пород по измерению интенсивности и спектров испускания минералов при термическом воздействии.

— Поиск новых месторождений. Определение минералов в породах и рудах на основе их спектральных характеристик, а также обнаружение месторождений нефти и газа

— Анализ состава углеводородов. Поиск нефтяных загрязнений по примесям УФ-флуорофоров, оценка эффективности очистки территорий, контроль качества воды, почвы и воздуха

 

Мы подготовили для вас серию статей по люминесцентной (флуоресцентной) спетроскопии. Следующая наша статья будет посвящена выбору спектрометра.