Fluoresenssi – mitä se on, ilmiö ja käyttökohteet

Tutustu fluoresenssiin: miten aineet muuttavat UV-valon näkyväksi, ilmiön periaatteet ja käytännöt sekä sovellukset biotieteissä, kemiassa ja valotekniikassa.

Fluoresenssi on valoa, jota tietyt aineet säteilevät, kun ne absorboivat valoa tai muuta sähkömagneettista säteilyä. Ensin aine absorboi energiaa, sitten se säteilee valoa. Kun valonlähde poistetaan, fluoresenssi lakkaa. Se on eräs luminesenssin muoto.

Useimmissa tapauksissa säteilevän valon aallonpituus on pidempi ja energia pienempi kuin absorboituneen valon. Tämän ilmiön vuoksi esimerkiksi ultraviolettivalon avulla voidaan saada aine säteilemään näkyvää valoa: aine absorboi ultraviolettivaloa (jota ihmissilmä ei näe) ja emittoi sen seurauksena näkyvää valoa.

Miten fluoresenssi syntyy?

Yksinkertaistettuna fluoresenssi alkaa, kun molekyyli absorboi fotonin ja siirtyy elektronisesti korkeammalle energiatilalle. Hetken kuluttua molekyyli menettää osan energiastaan sisäisesti (esimerkiksi värähtelyenergiana) ja palautuu alemmalle elektronitasolle säteillen fotonin, jonka energia on yleensä pienempi kuin alkuperäisen absorboidun fotonin energia. Tämän erotuksen sanotaan olevan Stokesin siirtymä (Stokes shift).

Keskeiset ominaisuudet

• Nopeus ja kesto: fluoresenssi on hyvin lyhytkestoista, yleensä nanosekuntien luokkaa; kun eksitointivalo poistuu, emissio lakkaa lähes välittömästi.
• Aallonpituudet: jokaisella fluoresoivalla aineella on tyypilliset eksitointi- ja emissiospektrit — käytännössä tarvitaan sopiva valonlähde ja suodatin, jotta aineen fluoresenssi havaitaan selvästi.
• Kvanttituotto: osa absorboidusta energiasta säteilee valona; suhdetta kuvaa fluoresenssin kvanttituotto (quantum yield), joka vaihtelee aineittain.
• Herkkyys ympäristötekijöille: pH, lämpötila, happi ja tietyt ionit voivat heikentää (quenching) tai muuttaa fluoresenssia.
• Valon hajotus (photobleaching): pitkään altistettaessa voimakkaalle valolle fluoresoivat molekyylit voivat muuttua pysyvästi ei-fluoresoiviksi.

Fluoresenssi vs. fosforescenssi

Fluoresenssi ja fosforescenssi ovat molempia luminesenssin muotoja, mutta ne eroavat toisistaan elektronisten siirtymien luonteen ja keston suhteen. Fluoresenssissa emissio tapahtuu nopeasti ja lakkaa heti eksitoinnin päättyessä. Fosforescenssissa emissiot voivat jatkua paljon pidempään, koska elektronit jäävät “sokkotilaan” (triplet-tila) ja palaaminen maatasoon on kiellettyjen siirtymien takia hitaampaa.

Käyttökohteet

Fluoresenssia hyödynnetään monilla aloilla:

• Mineralogiassa ja gemmologiassa kivien ja jalokivien tunnistuksessa — monet mineraalit ja jalokivet loistavat UV-valossa eri väreissä.
• Kemian ja analytiikan sovelluksissa, kuten fluoresenssispektroskopiassa, voidaan mitata aineiden pitoisuuksia ja reaktioita erittäin herkällä tavalla.
• Väriaineissa ja pigmentteinä fluoresenssia käytetään esimerkiksi korostuskynissä ja turvatekijöinä.
• Biologiassa ja lääketieteessä fluoresenssi on korvaamaton työkalu: sitä käytetään solujen ja molekyylien merkintään, proteiineihin liitetyillä fluoresoivilla merkeillä, immunofluoresenssissa ja in situ -menetelmissä.
• Fluoresoivia lamppuja ja valonlähteitä käytetään valaisussa ja erikoistehosteissa (fluoresoivat valot).
• Teknologia ja turvallisuus: fluoresoivia merkintöjä ja musteita käytetään väärennösten estoon ja dokumenttien aitouden tarkastukseen.
• Elintarvike- ja ympäristöseurannassa fluoresoivat merkkiaineet ja anturit (esimerkiksi pH- ja ionianturit) mahdollistavat nopean analyysin.

Biotieteet: merkitseminen ja mikroskopia

Biologisissa tutkimuksissa yksi tavallisimmista käytännöistä on liittää fluoresoiva väriaine tai proteiini mielenkiinnon kohteena olevaan molekyyliin. Esimerkiksi vihreä fluoresoiva proteiini (GFP) ja sen variantit mahdollistavat proteiinien paikantamisen elävissä soluissa. Fluoresenssimikroskopiat (epifluoresenssi, konfokaalimikroskopia, superresoluutio) tarjoavat voimakkaan keinon seurata solujen rakennetta ja toimintaa reaaliaikaisesti. Lisäksi menetelmiä kuten FRET (fluorescence resonance energy transfer) käytetään havaitsemaan molekyylien välistä vuorovaikutusta.

Mittaaminen ja laitteet

Fluoresenssin mittaamiseen käytetään muun muassa spektrofluorometrejä ja fluoresenssimikroskooppeja. Mittauksessa huomioidaan aina eksitoinnin ja emissiotilan aallonpituudet sekä sopivat suotimet ja detektorit. Monikanavaiset fluoresenssilaitteet mahdollistavat useiden fluoroforien samanaikaisen seuraamisen eri väreissä.

Käytännön esimerkkejä

• Tonic-vesi loistaa sinisenä UV-valossa kininiinin vuoksi.
• Monet valkoiset tekstiilit ja pesuaineet sisältävät valkaisuaineita, jotka fluoresoivat ja tekevät kankaan näyttämään valkoisemmalta.
• Skorpionit loistavat UV-valossa — käytetään joskus niiden etsimisessä luonnossa.
• Fluoresoivat heijastimet ja merkinnät parantavat turvallisuutta pimeässä.

Rajoitukset ja turvallisuus

Fluoresenssin käyttöön liittyy myös rajoituksia: jotkin fluoroforit kärsivät photobleachingista, ja happi tai tietyt ionit voivat vaimentaa signaalia. Lisäksi eksitoinnissa käytettävä UV-valo voi olla haitallista iholle ja silmille, joten suojatoimet ovat tarpeen laboratoriotyössä ja käytännön sovelluksissa.

Yhteenveto

Fluoresenssi on monipuolinen ja herkkä ilmiö, jossa absorboitu energia palautuu valona nopeasti ja suuntautuneesti. Sen perusperiaatteet — absorptio, sisäinen energiankato ja emissio — selittävät miksi emissio on yleensä pidempiaaltoista kuin eksitointivalo. Fluoresenssi tarjoaa tehokkaan työkalun luonnontieteissä, teollisuudessa, lääketieteessä ja arkipäivän sovelluksissa, kunhan huomioidaan sen rajoitukset ja turvallisuusnäkökohdat.

Kysymyksiä ja vastauksia

K: Mitä on fluoresenssi?

K: Mitä tapahtuu, kun aine fluoresoi?

K: Jatkuuko fluoresenssi sen jälkeen, kun valonlähde poistetaan?

K: Onko fluoresenssi luminesenssin muoto?

K: Miten fluoresenssin aikana vapautuvan valon aallonpituutta ja energiaa verrataan absorboituneeseen valoon?

K: Mikä on esimerkki yllättävästä fluoresenssityypistä?

K: Millä aloilla fluoresenssia käytetään?

Hae kirjaimella