4. Энергетический выход, квантовый выход, закон Вавилова
Важными характеристиками люминесценции являются энергетический и квантовый выходы. Отношение энергии, излучаемой при люминесценции, к поглощенной энергии называется энергетическим выходом.
Обычно В ≈ 0,7—0,8, поэтому использование таких люминофоров очень экономично.
Отношение числа квантов, излучаемых при люминесценции, к числу поглощенных квантов называется квантовым выходом.
Очевидно
Поскольку форма спектра люминесценции не зависит от длины волны возбуждающего света, то
(7)
Формула (7) представляет собой закон Вавилова: энергетический выход люминесценции сначала растет прямо пропорционально длине волны возбуждающего света, а по достижении определенного предела падает до нуля.
Рис. 39. Зависимость энергетического выхода Bэн.
от длины волны облучаемого света λ
Резкое падение энергетического выхода происходит при длинах волн, которые соответствуют малоэнергетическим квантам. Если энергия кванта hv меньше, чем разность энергетических уровней E2—E1, то возбуждения атомов люминофора не происходит.
5. Использование люминесценции
Известным применением люминесценции служат экраны, светящиеся под действием рентгеновских лучей или радиации. Это позволяет получить изображения костей и органов человека в рентгеновских кабинетах. В настоящее время огромное применение в биологии и медицине получил люминесцентный анализ. С точки зрения доступности, простоты и чувствительности люминесцентные методы не имеют себе равных в медико-биологических исследованиях. Люминесцентный анализ дает возможность оперировать с крайне малыми концентрациями до 10-12 г вещества. (Чтобы пометить каждого из 4,5 млрд. жителей Земли, требуется всего 0,5 г люминофора).
Часто для люминесценции используют искусственные люминофоры, например флуоресцин.
После введения 1—2 миллилитров в вену и облучения УФ-светом на губах, в тканях глаз появится зеленая, хорошо заметная люминесценция. Так определяют время кровообращения, находят области с пониженным кровоснабжением, определяют приживаемость пересаженной ткани и т. д.
В 1969 г. шведский исследователь К. Каперсон предложил метод определения пола ребенка до рождения. Для этого изучали свечение хромосом клеток, взятых из оклоплодной жидкости. Игрек-хромосомы, определяющие мужской пол, светятся ярче прочих. Так выявляют наследственные болезни (гемофилию), которая передается исключительно мужчинам. По интенсивности люминесценции гормонов эстрогенов судят об их концентрации, что позволяет быстро и однозначно судить о беременности, а также контролировать ее нормальное протекание.
Заметим, что злокачественные опухоли сильнее люминесцируют и сильнее накапливают многие люминесцентные вещества из-за сильной адсорбции. Эти методы диагностики и облегчают работу хирурга при операции. За 3 часа до операции вводят флуоресцин и на операции облучают УФ светом. Здоровая ткань люминесцирует слабым голубым цветом, раковая — ярким желто-коричневым.
Люминесцентный анализ особенно важен при работе с очень маленькими объектами, например с вирусами. Дело в том, что обычные оптические микроскопы не способны обнаружить предметы меньше 0,2 мкм = 2000 Ǻ. А, например, вирусы имеют размеры ~500 Ǻ. Если вирус соединить с люминесцентной меткой (молекулой), то его размеры практически не изменятся, но он станет видимым в микроскоп, как светящаяся точка. Почему? По той же причине, почему звезды мы видим, а, например, планеты тех же размеров — нет. А именно: благодаря свечению.