형광 이해:정의, 메커니즘 및 응용

형광 특정 물질이 특정 유형의 전자기 방사선, 일반적으로 자외선(UV)에 노출될 때 빠르게(약 10~8초) 빛을 방출하는 현상입니다. 형광등 재료는 이러한 특성을 나타낼 수 있는 재료입니다. 과학적 수준에서 형광은 원자나 분자가 광자를 흡수하여 에너지 준위를 여기 상태로 올린 다음 원자나 분자가 원래 상태로 돌아갈 때 더 낮은 에너지의 광자가 방출되는 것으로 정의할 수 있습니다. 형광을 이해하는 것은 의료 영상 및 진단부터 에너지 효율적인 조명 및 환경 모니터링에 이르기까지 다양한 응용 분야에 중요합니다.

형광물질의 예시

형광은 자연계뿐만 아니라 일상용품에서도 흔히 발생합니다. 다음은 형광 물질의 몇 가지 예입니다:

1. 식물과 조류의 광합성 색소인 엽록소는 스펙트럼의 빨간색 부분에서 최고 형광을 나타냅니다.
2. 일부 유형의 형석, 다이아몬드, 방해석, 호박, 루비, 에메랄드를 비롯한 많은 광물이 자외선 아래에서 형광을 띕니다.
3. 일부 산호종에는 형광 단백질이 포함되어 있어 광합성에 사용되는 햇빛을 흡수하고 활용하는 데 도움이 됩니다.
4. 녹색형광단백질(GFP)은 해파리 Aequorea victoria에서 처음 발견되었습니다. 현재 연구에 널리 사용되고 있습니다.
5. 석유는 흐릿한 갈색부터 밝은 노란색, 청백색까지 다양한 색상으로 형광을 발합니다.
6. 토닉 워터는 퀴닌의 존재로 인해 형광을 발합니다.
7. 지폐와 우표는 보안을 위해 형광잉크를 사용합니다.
8. 일부 형광 마커와 형광펜은 일반적으로 피라닌의 존재로 인해 검은색 빛 아래에서 빛납니다.
9. 형광등은 수은 증기관에서 자외선을 흡수하여 가시광선을 방출하는 형광 물질(형광체)로 코팅된 유리관입니다.
10. 세탁 세제와 종이에는 청색광을 방출하는 형광 증백제가 포함되어 있는 경우가 많습니다. 이는 시간이 지남에 따라 발생하는 황변이나 칙칙함을 방지합니다.

역사

형광의 발견은 이탈리아의 광물학자인 Bernardino de Sahagún이 lignum nephriticum이라는 주입물에서 현상을 관찰한 1560년으로 거슬러 올라갑니다. . 신연골 형광 산화 생성물을 갖는 화합물 마트라린을 함유한 나무의 나무에서 유래합니다. "형광"이라는 용어는 1852년 영국 과학자 조지 스톡스 경(Sir George Stokes)에 의해 만들어졌습니다. 1852년에 "형광"이라는 용어를 만들었습니다. 스톡스는 UV 방사선 하에서 형석과 우라늄 유리에 의한 빛의 방출을 관찰하고 연구했습니다.

형광의 작동 원리

형광은 물질이 광자를 흡수하여 바닥 상태에서 들뜬 상태로 전환될 때 발생합니다. 형광 수명이라고 하는 짧은 기간이 지난 후 물질은 바닥 상태로 돌아가고 그 과정에서 더 낮은 에너지의 광자를 방출합니다. 광자 방출은 전자 스핀의 변화를 일으키지 않습니다(인광에서 발생함). 흡수된 광자와 방출된 광자 사이의 에너지 차이는 여기 상태 동안 손실된 에너지(종종 열)에 해당합니다.

이 프로세스는 다음 단계로 진행됩니다:

1. 흡수 :원자나 분자는 들어오는 광자를 흡수합니다. 일반적으로 이는 가시광선이나 자외선입니다. X선 및 기타 고에너지 방사선은 흡수되기보다는 화학적 결합을 끊을 가능성이 더 높기 때문입니다.
2. 흥분 :광자는 원자나 분자를 더 높은 에너지 수준으로 끌어올리는데, 이를 여기 상태라고 합니다.
3. 흥분 상태 수명 :분자는 오랫동안 들뜬 상태를 유지하지 않습니다. 그들은 즉시 흥분 상태에서 이완 상태로 붕괴되기 시작합니다. 그러나 비방사 전이라고 불리는 들뜬 상태 내에서 더 작은 에너지 강하가 있을 수 있습니다. .
4. 배출 :분자는 바닥 상태 중 하나로 떨어지면서 광자를 방출합니다. 광자는 흡수된 광자보다 더 긴 파장(에너지가 적음)을 갖습니다.

Jablonski 다이어그램 은 여기(S1) 및 단일항 바닥 상태(S0)에 대한 에너지 흡수 및 방출을 보여주는 그래프로 이러한 프로세스를 보여줍니다.

규칙

형광의 세 가지 유용한 규칙은 Kasha의 규칙, Stokes 이동 및 거울 이미지 규칙입니다.

1. 카샤의 규칙 :이 규칙은 발광의 양자 수율이 흡수된 빛의 파장에 의존하지 않는다는 것을 나타냅니다. 즉, 입사광의 색상에 관계없이 형광 스펙트럼은 동일합니다. 그러나 단순한 분자는 종종 이 규칙을 위반합니다.
2. 스토크스 시프트 :방출된 광자는 흡수된 광보다 긴 파장을 갖습니다. 이는 일반적으로 비방사성 붕괴로 인해 또는 바닥 상태의 더 높은 진동 수준으로 떨어지는 형광단으로 인해 에너지 손실이 있기 때문입니다.
3. 미러 이미지 규칙 :많은 형광단의 경우 흡수 및 방출 스펙트럼은 서로 거울상이며 흡수 및 방출 과정 중 전자 및 진동 전이 간의 관계를 반영합니다.

애플리케이션

자연에서 유기체는 의사소통, 짝 유인, 먹이 유인, 위장 및 자외선 차단을 위해 형광을 사용합니다. 형광에는 다양한 실용적, 상업적, 연구 용도가 있습니다.

1. 의료 영상 및 진단 :형광 염료와 단백질은 연구자들이 살아있는 세포와 조직 내의 특정 구조와 과정을 시각화하는 데 도움이 됩니다.
2. 에너지 효율적인 조명 :형광등과 LED는 더 많은 입력 에너지를 가시광선으로 변환할 수 있기 때문에 기존 백열전구에 비해 에너지 효율성이 더 높습니다.
3. 환경 모니터링 :형광 센서는 공기, 물, 토양 샘플에서 오염 물질이나 오염 물질을 감지합니다.
4. 포렌식 :형광 물질은 지문, 생체 샘플 또는 위조 화폐를 감지합니다.
5. 조사 도구 :형광 마커와 태그는 분자 및 세포 생물학의 추적 및 모니터링에 필수적입니다.

형광 vs 인광

형광과 인광은 모두 광발광의 한 형태입니다. 형광은 즉시 발생하지만 인광은 빛을 더 천천히 방출하므로 인광 물질은 종종 어둠 속에서 몇 초에서 몇 시간 동안 빛납니다.

• 형광 :물질은 광자를 흡수하고 들뜬 상태로 전환한 다음 빠르게 바닥 상태로 돌아가며 이 과정에서 더 낮은 에너지의 광자를 방출합니다. 방출된 빛은 여기 소스가 제거된 직후 거의 즉시 중단되며, 형광 수명은 일반적으로 나노초에서 마이크로초에 이릅니다.
• 인광 :인광에서 흡수된 에너지는 전자를 삼중항 상태로 알려진 스핀 다중도가 다른 준안정 상태로 전환시킵니다. 바닥 상태로 다시 전환하는 것은 스핀이 금지되어 있습니다. 즉, 전자가 원래 상태로 돌아가는 데 더 오랜 시간이 걸립니다. 결과적으로 인광은 여기 소스가 제거된 후 밀리초에서 몇 시간까지 지속됩니다.

형광과 생물발광의 차이점

형광과 생물발광은 모두 빛을 방출하지만 지속 시간과 메커니즘이 다릅니다.

• 형광 :형광은 광발광의 일종입니다. 이는 물질이 외부 소스로부터 에너지를 흡수한 후 빛을 방출하는 물리적 과정입니다. 빛의 방출은 거의 즉각적이며 일단 에너지원을 제거하면 계속되지 않습니다.
• 생물발광 :이에 반해, 생물발광은 살아있는 유기체 내에서 발생하는 화학발광의 한 형태입니다. 이는 화학 반응의 결과로 빛의 생성과 방출을 포함합니다. 이 반응에는 일반적으로 기질(예:루시페린)과 기질의 산화를 촉매하여 빛의 형태로 에너지를 방출하는 효소(예:루시퍼라제)가 포함됩니다. 생물발광에는 자외선과 같은 외부 에너지원이 필요하지 않습니다. 반응이 계속되는 한 빛을 방출합니다. 이 과정은 반딧불이, 특정 해양 생물, 일부 곰팡이를 포함한 다양한 유기체에서 발생합니다.

참고자료

• 해리스, 다니엘 C.(2004). 화학 분석 탐구 . 맥밀란. ISBN 978-0-7167-0571-0.
• 스토크스, G.G. (1852). “빛의 굴절성의 변화에 ​​관하여”. 런던왕립학회의 철학적 거래 . 142:463–562, 특히. 479. doi:10.1098/rstl.1852.0022
• Tsien, R.Y.(1998). “녹색 형광 단백질”. 생화학 연례 검토 . 67:509-544. doi:10.1146/annurev.biochem.67.1.509
• 발뢰르, B.; 베르베란-산토스, M.R.N. (2011). “양자 이론이 출현하기 전의 형광과 인광의 간략한 역사”. 화학교육저널 . 88 (6):731–738. doi:10.1021/ed100182h