К фотолюминофорам относятся вещества, обладающие способностью к фотолюминесценции, т.е. к свечению, которое возбуждается светом видимого или УФ диапазона. Фотолюминесценция подразделяется на флуоресценцию и фосфоресценцию.
Флуоресценция быстро затухает после окончания действия возбуждающего света (время затухания 10-9 с). Термин «флуоресценция» происходит от названия минерала флюорит, у которого она впервые была обнаружена (суффикс escent (лат.) означает слабое действие).
Флуоресцентные красители добавляются в краски, фломастеры. Их применяют при окраске текстильных изделий, предметов обихода, украшений для получения особо ярких («кричащих») цветов, придания окрашиваемой поверхности высокой отражательной (рассеивающей) способности (альбедо). Особой разновидностью флуоресцентных текстильных красителей является оптический отбеливатель – так называемая «оптическая синька», преобразующая ультрафиолет в излучение синего цвета, что устраняет желтизну одежды и постельного белья, придавая им белоснежный цвет. Оптическая синька применяется как при фабричной окраске тканей, так и при стирке (в качестве добавки в стиральных порошках). Подобные флуоресцентные пигменты используются в производстве высококачественной мелованной бумаги, из которой изготавливают глянцевые журналы, презентационные каталоги, буклеты и другую бумажную продукцию, для которой важна яркость красок и приятный внешний вид.
Отдельные виды флуоресцентных красителей используются в оперативно-розыскной деятельности (для нанесения пометок на деньги, иные предметы в ходе документирования фактов дачи взяток и вымогательства). Их также можно использовать в химических ловушках – особых приспособлениях или устройствах, закамуфлированных под различные предметы, либо скрытно установленных внутри объекта охраны или рядом с ним для переноса флуоресцирующих веществ на тело и одежду лица, совершившего несанкционированное проникновение или хищение.
Флуоресцентные красители играют роль активных веществ в лазерах на красителях, занимающих особое место в большом семействе современных лазеров. Обычно в таких лазерах используются растворы красителей (растворителями являются вода, спирты, производные бензола), реже активированные красителями полимерные материалы – полиметилметакрилат, эпоксидные смолы, полиуретан. Основная особенность лазеров на красителях – возможность перестройки длины волны генерируемого излучения в широком диапазоне длин волн (от 330 нм до 1,8 мкм). Лазеры на красителях применяются для спектроскопических исследований, что позволяет повысить чувствительность и разрешающую способность во много раз по сравнению с традиционными методами спектроскопии.
В биохимии и молекулярной биологии широко применяется флуоресцентная микроскопия – высокочувствительный микроскопический метод, основанный на обработке тестируемого материала флуоресцентными веществами – флуорохромами (маркерами), которые обладают определенными спектрами поглощения, зависящими от внутреннего строения флуоресцирующих молекул. При искусственном введении в биологическую систему флуорохромы адсорбируются клетками и придают им способность люминесцировать. При этом флуоресцирующие (окрашенные) зоны выглядят в поле зрения флуоресцентного микроскопа как яркие участки на темном фоне. Если исследуемый объект содержит вещества разной природы, то формируется многоцветная картина (рис. 1). Таким образом, благодаря флуоресцентной микроскопии можно судить о физико-химических свойствах изучаемых клеток, определить форму, локализацию, пределы распространения и динамику изменения многих структур и веществ органической и минеральной природы.
Рис. 1. Флуоресцентная микрофотография ткани печени мыши: ядра клеток окрашены синим цветом, границы клеток – зеленым
Флуоресцентная микроскопия позволяет визуализировать отдельные компоненты биологических систем, которые не обладают собственной люминесценцией. По сравнению с обычной световой микроскопией она характеризуется высокой степенью контрастности цветных светящихся объектов на темном фоне, а также обладает гораздо большей площадью просматриваемого поля зрения за счет использования меньших увеличений микроскопа. Благодаря большой чувствительности флуоресцентной микроскопии концентрация флуорохромов может быть очень малой, что позволяет проводить наблюдения на живых биологических объектах и исследовать происходящие в них процессы обмена веществ.
Высокий контраст и яркость изображения во флуоресцентном микроскопе достигаются за счет подбора флуорохромов и использования узкополосных светофильтров. В основе устройства флуоресцентного микроскопа лежит правило Стокса, благодаря которому удается эффективно разделять световые потоки (рис. 2). Для этого используется светоделительное зеркало, которое имеет специальное интерференционное покрытие, позволяющее отражать свет, длина волны которого меньше определенного значения, и пропускать излучение с большей длиной волны. Узкополосный возбуждающий фильтр подбирают таким образом, чтобы он выделял из всего спектра лампы свет той длины волны, которая максимально эффективно поглощается флуорохромом на исследуемом препарате. Использование узкополосного запирающего фильтра позволяет убрать фоновое свечение, отраженное от деталей микроскопа и препарата, что значительно увеличивает контрастность изображения. В качестве источника света обычно служат ртутные лампы, с помощью которых можно возбуждать большинство флуорохромов.
Рис. 2. Устройство флуоресцентного микроскопа с освещением падающим светом: ВФ – возбуждающий фильтр; СДЗ – светоделительное зеркало; ЗФ – запирающий фильтр; О – объектив
Флуоресцентная микроскопия применяется для исследования возбудителей туберкулеза, включений в клетках, образуемых некоторыми вирусами. Для анализа тканей и клеток различного происхождения используют флуорохромы, способные специфически окрашивать нуклеиновые кислоты. На флуоресцентной микроскопии основаны многие методы биологических исследований: определение количества хлорофилла, изучение строения побега и степени его вызревания, структуры мякоти ягоды, оплодотворяющей способности пыльцы, скорости прорастания пыльцы на рыльцах и роста пыльцевых трубок в пестике, выяснение степени совместимости при опылении и др.
В промышленности широко применяется капиллярная флуоресцентная дефектоскопия, предназначенная для выявления невидимых или слабо видимых невооруженным глазом поверхностных и сквозных дефектов (трещины, поры, раковины, непровары, межкристаллическая коррозия, свищи и т.д.) в объектах контроля, определения их расположения, протяженности и ориентации по поверхности. Она основана на капиллярном проникновении флюоресцирующих жидкостей (пенетрантов) в полости поверхностных и сквозных несплошностей материала объекта контроля и регистрации образующихся индикаторных следов визуальным способом. При этом изделие освещают ультрафиолетовым светом в затемненном помещении и подвергают осмотру. Дефекты хорошо заметны в виде ярко светящихся пятен, полосок, точек и т. п. Используемые пенетранты представляют собой органические растворы, содержащие флуоресцентные красители.
Значительное применение флуоресцентных веществ связано с изготовлением люминесцентных ламп (рис. 3). Баллон лампы со встроенными в него с противоположных сторон вольфрамовыми электродами наполнен инертным газом (аргоном) с небольшим количеством паров ртути. Электроды снабжены покрытием, обеспечивающим термоэлектронную эмиссию. На внутренние стенки баллона нанесен слой флуоресцентного вещества. При подаче напряжения на электроды, через них начинает течь ток прогрева. При достижении определенной температуры поверхности катод начинает испускать поток электронов, который устремляется к аноду. Электроны при своем движении сталкиваются с атомами ртути, вызывая их ионизацию. Ионизированные пары ртути излучают УФ свет, который возбуждает флуоресцентный слой, заставляя его излучать видимый свет.
Рис. 3. Схема действия люминесцентной лампы
В последние годы в системах освещения все большее распространение находят компактные люминесцентные лампы, отличающиеся высоким энергосбережением и долгим сроком службы (рис. 4). Создание таких ламп стало возможным в результате разработки высокоэффективных люминофоров, активированных редкоземельными металлами.
Рис. 4. Энергосберегающие компактные люминесцентные лампы
Среди флуоресцентных веществ наиболее разнообразное применение имеет флуоресцеин C20H12O. Его вшивают в ткань спасательных жилетов: при попадании такого жилета в воду образуется огромное ярко-зелёное пятно, хорошо различимое с самолёта. В аналитической химии он используется в качестве флуоресцентного кислотно-основного индикатора. В биохимии и молекулярной биологии некоторые производные флуоресцеина служат в качестве биологических красок для определения антигенов и антител. Флуоресцеин применяют в гидрологии для изучения путей следования подземных вод. Его также применяют в тепловых сетях для обнаружения утечек. Кроме того, он может использоваться для анализа загрязнения окружающей среды (обнаружение утечки нефти (масляных пленок) в морях и океанах).
Фосфоресценция, в отличие от флуоресценции, продолжается значительное время (до нескольких часов) после прекращения ее возбуждения.
Наибольшее распространение получили фосфоресцентные материалы на основе алюмината стронция Sr4Al14O25 и сульфида цинка ZnS. Основная сфера применения фосфоресцентных материалов – изделия для использования в чрезвычайных ситуациях (аварийные указатели выхода, маркировка направления движения и т.д.), продолжающие светиться после отключения электроэнергии. Фосфоресцентные материалы наносят на циферблаты и стрелки часов, шкалы и стрелки приборов, что позволяет считывать их показания в темноте (пока накопленная люминофором энергия не иссякнет).