Чем может быть вызвана люминесценция
ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ
Изучение характера того или иного вида Люминесценции, его интенсивности и спектра нашло широкое применение в лабораторной, сан.-гиг. и клинической практике.
Механизмы люминесценции
Помимо времени жизни молекулы в возбужденном состоянии (τ), процесс Люминесценции характеризуется интенсивностью (J), квантовым выходом (φ), положением максимума (λmax), спектром Л. и другими параметрами, измерение которых находит применение в лаб. практике. Напр., для чистых веществ интенсивность Л. (I) при возбуждении монохроматическим светом интенсивностью Jв равна:
где k— константа, характеризующая чувствительность флюориметра, D — оптическая плотность образца. D = εCl, где ε — молярный коэффициент поглощения вещества, С— молярная концентрация, l — толщина образца. При малых D интенсивность Л. практически линейно зависит от концентрации, что широко используется в количественном люминесцентном анализе.
Л. многих веществ может быть результатом содержания в них небольшого количества примесей. Поэтому при проведении анализа важно установить, какому именно соединению свойственна Л. (рис. 3). Для этого измеряют спектры возбуждения Л. (см. Спектральный анализ). Спектры возбуждения Л. измеряют также для обнаружения процессов миграции (переноса) энергии между молекулами и т. д.
При взаимодействии молекул люминесцирующего вещества с молекулами растворителя и другими веществами наблюдается явление тушения Л., заключающееся в уменьшении квантового выхода Л. Такое тушение Л. может быть следствием образования нелюминесцирующего комплекса между люминесцирующим веществом и веществом-тушителем — тушение I ряда, при к-ром уменьшается только квантовый выход, а время жизни молекулы в возбужденном состоянии не меняется. Если молекула люминесцирующего вещества теряет часть энергии (за счет кинетических соударений с молекулами вещества-тушителя), имеет место тушение II ряда, при к-ром уменьшается и квантовый выход, и время жизни молекулы в возбужденном состоянии.
Люминесценция биологических объектов может быть собственной (первичной) или возникать за счет добавления в анализируемую систему специальных веществ или хим. модификации имеющихся (вторичная Л.).
Собственная Л. простых белков обусловлена наличием аминокислот триптофана и тирозина. Максимум флюоресценции триптофана варьирует от 330 до 350 нм в зависимости от локализации триптофана в белковой молекуле. В сложных белках собственной Л. обладают некоторые коферменты, напр, ф лавины, восстановленные пиридиннуклеотиды и др. В частности, восстановленные пиридиннуклеотиды при возбуждении УФ-светом флюоресцируют в синей области спектра (440 нм), окисленные — не флюоресцируют. Это позволяет исследовать молекулярные механизмы работы цепи переноса электронов в митохондриях, целых клетках и даже в тканях, изучать кинетику биохим, реакций in vivo и др. Микрофлюориметрически можно регистрировать кинетику изменения содержания восстановленных пиридиннуклеотидов и других флюоресцирующих коферментов в различных областях одной клетки in vivo, когда использование других методов затруднено. Собственная Л. наблюдается у витаминов А, B6, E и др., у многих лекарственных препаратов (хинин, гризеофульвин и др.). С ее помощью с очень высокой чувствительностью и специфичностью определяют канцерогенные углеводы — бенз(а)пирен, дибензантрацен и др.— в воздухе городов, в табачном дыме и др. Первичную Л. используют в диагностических целях — для обнаружения грибковой инфекции у человека и дерматомикозов у животных по характерной желто-зеленой флюоресценции пораженных волос, возбуждаемой УФ-облучением при длине волны 365 им. По собственной Л. проводят контроль качества пищевых продуктов. Так, при длительном хранении молока и сливок рибофлавин окисляется в люмихром, что сопровождается изменением цвета флюоресценции от желто-зеленого к синему. Яйца, зараженные бактериями рода Pseudomanas при возбуждении УФ-светом начинают интенсивно флюоресцировать (за счет пигмента пиовердина, вырабатываемого бактериями).
При изучении структуры и функции биол, мембран, структурной организации макромолекул белков и нуклеиновых к-т широко используют вторичную Л. соединений, называемых флюоресцентными зондами. В качестве таких зондов выбирают вещества, параметры Л. которых резко меняются в зависимости от характеристики окружающей их среды: полярности, вязкости, по
верхностного заряда и др. Зонды бывают трех типов: заряженные (напр., 1-анилинонафталин-8-сульфонат, 2-толуидинонафталин-6-сульфонат и др.), незаряженные, но обладающие значительным дипольным моментом (напр., 4-диметиламинохалкон, 3-метоксибензантрон и др.), не имеющие ни заряда, ни значительного дипольного момента (напр., перилен, метилантрацен, пирен, ретинол и др.). Как правило, в качестве флюоресцентных зондов используют молекулы, которые в воде почти не флюоресцируют, а при связывании с биол, мембранами или белками интенсивность их Л. возрастает в десятки раз. С помощью таких зондов удалось определить, в частности, вязкость углеводородной части биол, мембран (напр., показано, что вязкость мембран дисков наружных сегментов палочек сетчатки равна примерно 1 пз, что соответствует вязкости η оливкового масла). С помощью зондов изучают взаимное расположение молекулярных компонентов и конформационные перестройки биол, мембран и белков, фазовые переходы. При изучении структуры нуклеиновых к-т применяют акридиновый оранжевый и другие зонды. Показано, напр., что максимум Л. двуспиральной, нативной ДНК располагается в зеленой области спектра (530 нм), тогда как в одноцепочечной ДНК и РНК он смещается в красную область (640 нм). Микрофлюориметрически с помощью зондов анализируют ДНК непосредственно в клетках.
В медицинской технике широкое распространение получили люминофоры (см.) — вещества, способные к фото-, рентгено-, катодолюминесценции и т. д. По химической природе их можно разделить на органические и неорганические. Неорганические люминофоры используют в люминесцентных лампах. При изготовлении рентгеновских экранов применяют цинккадмийсульфидные люминофоры, способные к рентгенолюминесценции. К люминофорам органической природы могут быть отнесены флюоресцентные зонды.
Люминесцентный анализ
Люминесцентный анализ — метод исследования различных объектов (в т. ч. биологических), основанный на наблюдении их Люминесценция.
Качественный и количественный люминесцентный анализ широко применяют при гиг. исследованиях пищевых продуктов, для выявления некоторых загрязнений окружающей среды, в экспериментальной гигиене при составлении научно обоснованных нормативов, в судебной экспертизе живых лиц, трупов и вещественных доказательств. Люминесцентным анализом широко пользуются в микробиологии и вирусологии.
При мед. исследованиях измеряют как собственную, первичную, флюоресценцию объектов, так и вторичную флюоресценцию, возникающую за счет специальных красителей — флюорохромов (см.) люминесцентных зондов. Анализ первичной Л. органов и тканей проводят чаще всего визуально с помощью очков-светофильтров или специальных приборов, позволяющих исследовать свечение в различных наружных полостях и осуществлять фотосъемку. Таким способом можно определить микроспорию (по зеленому свечению волос), подкожные кровоизлияния (по тушению флюоресценции гемоглобином), аномалии пигментации (по отсутствию свечения пигментированной кожи), себорейную экзему, гиперкератоз и ряд других дерматозов (по изменению спектра и интенсивности флюоресценции кожи), нарушение кровообращения в кожных лоскутах при пластике лоскутом на ножке (по отсутствию свечения кожи или введенного в кровь флюоресцеина), раннюю стадию желтухи (при освещении слизистой оболочки полости рта УФ-светом желчные пигменты приобретают вид темно-бурых пятен с коричневым оттенком), кариес зубов (по отсутствию свечения пораженных участков зуба).
Применение флюороскопии для диагностики злокачественных опухолей пока не оправдало себя из-за противоречивости результатов. С этой целью целесообразно использовать более достоверный люминесцентно-цитологический метод (см. Люминесцентная микроскопия).
В мед. исследованиях применяют различные флюорохромы, особенно флюоресцеин. Интенсивность свечения этого соединения настолько велика, что оно обнаруживается даже в очень незначительных концентрациях. Через несколько секунд после внутривенного введения 1 — 2 мл 10 —15% р-ра флюоресцеина появляется ярко-зеленое свечение ‘слизистой оболочки полости рта, губ, глаз и других участков тела. Флюоресцеин безвреден и выводится из организма за 50—70 час. Флюоресцеиновую пробу используют для определения скорости циркуляции крови, для исследования проницаемости капилляров кожи и влияния на нее лекарственных препаратов, для обнаружения затеков цереброспинальной жидкости, выявления границ опухолей с целью их удаления.
Люминесцентный анализ помогает отдифференцировать туберкулезные гранулемы от туберкулезоподобных, обнаруживаемых в лимфатических узлах при осмотре свиных туш. За 3—5 мин. можно установить концентрацию белка в исследуемых образцах молока (вместо 8 —12 час. по методу Кьельдаля), причем среднее расхождение с методом Кьельдаля составляет не более 0,1%.
Широкое применение нашли флюорохромы в люминесцентно-гистол. исследованиях. Использование люминесцентных методов в клин, и экспериментальной биохимии позволяет резко повысить чувствительность исследований, приблизив ее в некоторых случаях к уровню чувствительности радиоизотопных анализов. Разработаны флюориметрические методики определения активности ряда ферментов, количественного определения аминокислот, аминов, витаминов, коферментов и их метаболитов, белков, стероидов, мочевой к-ты, аммиака, глюкозы, окситетрациклина, салицилатов, ионов Ca2+, Mg2+, пуринов, пиримидинов, нуклеиновых к-т, порфиринов и других соединений.
Для оценки физ.-хим. процессов, протекающих в организме, а также в качестве дополнительного диагностического теста может быть применено исследование хемилюминесценции плазмы крови. Имеются данные, что сверхслабое свечение сыворотки крови снижается при злокачественных новообразованиях и атеросклерозе и повышается при туберкулезе. По интенсивности хемилюминесценции можно судить о степени окисления, уровне свободных радикалов и отклонении его от нормы, что существенно, напр., при лучевом поражении.
Люминесцентный анализ в гигиене нашел широкое применение для определения порчи или фальсификации пищевых продуктов, количественного установления содержания в них витаминов и других биологически активных веществ или вредных примесей (пестицидов и др.). Доброкачественность мяса определяют, измеряя люминесценцию его безбелкового экстракта, обусловленную присутствием водорастворимых веществ, образующихся при порче мяса. Величина Л. экстракта из свежего мяса — до 30 относительных единиц, из мяса с начальными признаками порчи — от 30 до 50 относительных единиц, из испорченного мяса — более 50 относительных единиц. Доброкачественность мяса определяют также качественно — но цвету свечения. В зависимости от степени порчи мяса последовательно появляется зеленоватое, голубоватое и ярко-красное свечение; при начальных признаках порчи на жире свинины появляются светло-голубые точки свечения, на жире говядины — беловато-желтые. С помощью люминесцентного анализа устанавливают также свежесть рыбы и рыбных продуктов.
С помощью люминесцентного анализа определяют присутствие и концентрацию в воздухе производственных помещений смолистых веществ, бензатрена, нафтиламинов, борной к-ты, нафталонов, фталатов и др., содержание в воде нефтепродуктов, сульфатов, ацетона, урана и т. п. Разработан спектрально-люминесцентный метод определения полициклических ароматических углеводородов в пробах воды, снега и почвы; бенз(а)пирена — в атмосферном воздухе, табачном дыме, некоторых пищевых продуктах.
Люминесцентный анализ в судебно-медицинских исследованиях. Высокая чувствительность люминесцентного анализа и возможность с его помощью идентифицировать по характеру свечения многие вещества, а также ряд органов и тканей делают его весьма важным методом исследования при суд.-мед. экспертизе. В суд.-мед. практике при проведении люминесцентного анализа используют любые источники УФ-света. Мешающий наблюдению Л. видимый свет устраняют соответствующими светофильтрами. Л., вызываемая светом видимой части спектра, наблюдается невооруженным глазом и может быть зафиксирована на фотопленке.
Широко применяется и микроскопический люминесцентный анализ, проводимый с помощью люминесцентных микроскопов. Для усиления слабого собственного свечения и для выявления не обладающих Л. структур гистол, препараты обрабатывают флюорохромами (акридиновым оранжевым, рибофлавином и т. д.).
При освидетельствовании живых лиц люминесцентный анализ позволяет установить форму и размеры подкожных кровоизлияний и кровоподтеков после исчезновения их внешних проявлений, форму бывших ранее ожогов, давность кожных рубцов по цвету их Л. (темно-фиолетовое свечение свежих рубцов, сине-фиолетовое свечение рубцов давнего происхождения), умышленное введение различных веществ (нефтепродуктов, инфицированных материалов) под кожу с целью вызывания флегмон и т. д.
При вскрытии трупов можно с помощью люминесцентного анализа доказать прием лекарственных препаратов и некоторых пищевых продуктов (яичного желтка, чеснока, крепкого чая, грибов и др.) по цвету свечения слизистой оболочки полости рта, пищевода и желудка; можно приблизительно установить возраст покойного по интенсивности и цвету свечения хрящевой ткани (напр., при исследовании расчлененных трупов). Люминесцентный анализ помогает установить срок захоронения, а также дифференцировать по характеру свечения кости погребенных и сожженных трупов, четко определить границы некоторых патол, процессов (склеротических, жировой дистрофии, злокачественных новообразований и др.), подтвердить предполагаемое отравление свинцом, хинином и другими веществами (при свинцовых отравлениях в вытяжках из мочи очень рано определяется красноватое свечение порфиринов, при отравлении акрихином, хинином и другими веществами, обладающими яркой Л., отмечается соответствующее свечение внутренних органов).
Исследуя одежду и другие вещественные доказательства с помощью люминесцентного анализа, можно установить входное отверстие при огнестрельном ранении, а при множественных повреждениях — их последовательность. При различных транспортных происшествиях люминесцентный анализ помогает определить на одежде и теле пострадавшего форму и расположение загрязнений смазочными маслами и по ним установить характер повреждающего предмета и взаимное положение транспорта и пострадавшего в момент происшествия. Можно ориентировочно установить наличие на вещественных доказательствах крови (по яркому оранжевому свечению гематопорфирина после денатурации гемоглобина серной к-той), выделений из носа, слюны, спермы, мочи, определить половую принадлежность клеточных элементов на орудиях преступления и других предметах (путем выявления Y-хромо-сомы при люминесцентной микроскопии объектов). Присутствие крови на вещественных доказательствах можно также доказать путем спектрального исследования Л. гематопорфирина. В суд.-мед. практику интенсивно внедряются методы иммунофлюоресценции (см.).
Методы анализа и приборы
Методы анализа и приборы, основанные на явлении Л., применяют для получения информации о структуре и физ.-хим. свойствах биологических и других объектов, измерения концентрации веществ, а также для исследования изменения состояния или концентрации веществ в таких объектах. С этой целью чаще используют флюоресценцию (см.), фотолюминесценцию и реже фосфоресценцию (см.).
При решении ряда практических задач в биологии и медицине (напр., определение концентрации тех или иных веществ в биол, жидкостях, изучение их иммунол, характеристик, гистол, показателей и т. д.) можно ограничиться измерением интенсивности флюоресценции в определенной спектральной области при определенной длине волны возбуждающего света.
Приборы для флюоресцентного анализа делят на две основные группы — флюориметры (см. Флюориметрия) и спектрофлюориметры (см. Спектральный анализ).
Основные элементы флюоресцентных приборов — источник света, камера (кювета) для анализируемого объекта, приемник света и регистрирующее устройство. Во флюориметрах обычно используют источники света с линейчатым спектром (чаще ртутно-кварцевые лампы), а в спектрофлюориметрах — с непрерывным спектром (ксеноновые лампы). Коротковолновая граница возбуждения флюоресценции ксеноновой лампы находится в области 240 нм, длинноволновая граница в области 600—800 нм. Для выделения определенных участков спектра излучения лампы (монохроматизации) во флюориметрах используют светофильтры из цветного оптического стекла или интерференционные светофильтры. Для монохроматизации возбуждающего света в спектрофлюориметрах чаще используют монохроматоры с дифракционными решетками с разрешающей способностью 10—12 нм. Диапазон работы монохроматора флюоресценции определяется спектральной чувствительностью фото приемник а и назначением прибора. Рабочий диапазон монохроматоров, применяемых в большинстве моделей спектрофлюориметров, от 280 до 700 нм.
Камеры для анализируемого объекта представляют собой кюветы из стекла специальных сортов, в зависимости от назначения имеющие различную емкость, конструкцию и т. д. Объем кювет в приборах 1 —10 мл. В ряде приборов используют микрокюветы объемом 2 мкл. Дальнейшее усовершенствование кювет связано с повсеместным введением микрокювет, сливных и проточных кювет.
Наиболее употребительным приемником света, обладающим высокой чувствительностью, являются фотоэлектронные умножители (см. Фотоумножители), фотоэлементы, а также болометры, позволяющие измерять энергию излучения непосредственно.
Регистрирующие устройства представляют собой аналоговые и цифровые схемы регистрации: микро-амперметры, перьевые записывающие устройства, печатающие записывающие устройства и др.
Конструктивной разновидностью являются микрофлюориметры и микроспектрофлюориметры, предназначенные для проведения люминесцентного анализа микроскопических объектов. При измерении спектров большое значение имеет автоматическая коррекция спектра флюоресценции, т. к. регистрируемая прибором интенсивность определяется не только физическими свойствами образца, но и спектральными характеристиками источника света, монохроматоров и приемника света. Автоматическая коррекция достигается, как правило, усложнением оптической или электронной схемы приборов.
Изучение Люминесценции хромофоров в составе биологических молекул и структур составляет один из разделов исследований в молекулярной биологии. Оно позволяет получать информацию об общем строении молекул и надмолекулярных структур, о локализации в них хромофоров, подвижности отдельных участков молекул, структурных (конформационных) превращениях молекул и т. д. Напр., спектры и квантовый выход Л. аминокислот различны в составе белка и просто в растворе; кроме того, изменение белка, отражаясь на микроокружении аминокислот — флюорофоров, приводит к изменению белковой Л., вследствие чего триптофан и тирозин являются как бы люминесцентными метками, встроенными в белок самой природой и информирующими об условиях, в к-рых они находятся в макромолекуле. Флюоресцентные методы используются при анализе конформационных перестроек белковых молекул в составе ферментативных систем, изучении механизмов фотосинтетических реакций, структурной организации мембран и пр. Для определения содержания нефлюоресцирующих продуктов применяют флюорохромы (см.) и флюоресцентные зонды — флюоресцентные методы выявления ДНК и РНК в цитохимии, определение концентрации микроорганизмов, содержания плазминогена и фибриногена в плазме крови и пр., основанные на связывании флюорохрома с молекулами и клеточными структурами.
Недостатком флюоресцентных методов количественного анализа является ограниченная селективность, связанная с тем, что многие вещества имеют большую ширину спектра флюоресценции. Наметились следующие пути повышения их селективности: оптические или электронные модификации существующих флюоресцентных методов, комбинация флюоресцентной спектроскопии и хроматографических методов, комбинация флюоресцентных методов и специфических биохим, тестов.
При производной флюоресцентной спектроскопии измеряют так наз. производные спектры, т. к. при анализе смесей таким способом разрешение минорных компонентов существенно повышается. Производные спектры можно получать как оптическим путем, так и с помощью специальных электронных приставок. Этот способ пригоден, напр., для идентификации тирозина в белке, содержащем тирозин и триптофан. Метод синхронного сканирования основан на одновременном сканировании обоих монохроматоров спектрофлюориметра с фиксированным спектральным сдвигом между ними.
Флюориметрическое сканирование тонкослойных хроматограмм позволяет разделять пикограммы веществ.
Для сканирования тонкослойных хроматограмм в нек-рых случаях выгоднее использовать фосфориметрический анализ, т. к. многие нефлюоресцирующие вещества фосфоресцируют (см. Фосфоресценция).
Перспективным способом повышения селективности флюоресцентного количественного анализа является комбинация флюориметрии и иммунологических методик, напр, дифференциальное окрашивание хромосом с помощью флюоресцентного красителя хинакрин-иприта для последующего флюоресцентного анализа кариотипа и метод флюоресцирующих антител, используемый при постановке высокочувствительных иммунологических реакций и выявлении различных антигенных детерминант на поверхности клеток (см. Иммунофлюоресценция), и т. д.
A. Я. Потапенко; Ю. В. Новиков (гиг.), B. А. Пеккель (люминесцентный анализ), В. В. Томилин (суд.); P. P. Лидеман, H. П. Матвеева.
ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ. СВЕЧЕНИЕ ВЕЩЕСТВ
ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ. СВЕЧЕНИЕ ВЕЩЕСТВ. Слово «люминесценция» произошло от латинского lumen – свет. Все источники света можно разделить на два типа. К первому относятся те, свечение которых обусловлено высокой температурой, ко второму – так называемое холодное свечение (к нему, как правило, и относят различные виды люминесценции).
Самый «универсальный» способ заставить тело испускать свет – сильно нагреть его. Так излучают свет сильно нагретая спираль электроплитки, раскаленная спираль электрической лампочки, Солнце и звезды, свечка, факел и другие горящие вещества и тела. Чем выше температура, тем более энергично движутся и сталкиваются атомы в веществе. При этом электроны в атомах возбуждаются и переходят на уровни с повышенной энергией. В этом состоянии электроны находятся недолго (миллиардные доли секунды), после чего они теряют избыток энергии. Эта потеря сопровождается испусканием кванта света – фотона, энергия которого как раз равна разности энергии электронов на двух уровнях ( см. также АТОМА СТРОЕНИЕ).
При нагреве тел электроны могут запасать (а затем испускать) разную энергию. Поэтому нагретое тело излучает фотоны разной энергии, то есть разного «цвета». Чем меньше энергия фотона, тем «краснее» свет, а чем энергия выше, тем свет «голубее». При очень слабом нагреве вещества фотоны в основном имеют малую энергию, которая соответствует инфракрасному участку спектра. Этот термин произошел от латинского infra – под. В 1800 английский астроном и оптик Вильгельм Гершель, перемещая чувствительный термометр вдоль солнечного спектра, неожиданно обнаружил, что максимум температуры наблюдается в самом низу, за пределами красного участка спектра, где глаз ничего не различает. Поэтому инфракрасное излучение с длиной волны ( l ) больше 700–750 нм (0,70–0,75 мкм) и энергией фотонов меньше 160 кДж/моль часто называют тепловым. Много инфракрасных лучей испускает, например, хорошо протопленная печка.
Если постепенно повышать температуру тела, оно начнет светиться. Зависимость интенсивности излучения от длины волны имеет форму колокола: она максимальна при некоторой длине волны и быстро спадает при ее увеличении и уменьшении. В соответствии с законом смещения, сформулированным в 1894 Вильгельмом Вином, с повышением температуры максимум излучения смещается в сторону меньших длин волн: l max = 2900/T мкм; одновременно резко возрастает интенсивность излучения. Так, печка, нагретая до 150° С (423 К) излучает инфракрасный свет с максимумом около 7 мкм, поэтому ее свет невидим (в области менее 0,75 мкм фотонов практически нет). Если через спираль от электроплитки (она сделана из нихрома – тугоплавкого сплава никеля, железа, хрома и марганца) пропускать все более сильный электрический ток, она начнет светиться. При 500–600° С появляется темно-красный свет, чуть заметный в темноте, при 600–800° С цвет становится вишнево-красным, при 800–1000° С – ярко-красным, при 1000–1100° С – желтым, а если вещество нагреть еще сильнее, оно начнет испускать белый свет («белое каление»). По цвету астроном может определить температуру звезды, а опытный металлург – температуру расплавленного металла. Правда, спираль плитки до белого каления нагреть не удастся – она еще раньше расплавится или сгорит на воздухе. А вот тугоплавкую и химически стойкую платину можно нагреть очень сильно; на расплавленную платину (1770° С) невозможно даже смотреть с близкого расстояния – настолько яркий свет она испускает. Вольфрамовая спираль обычной лампы разогрета примерно до 2600° С и максимум ее излучения приходится на 1 мкм. Поэтому спираль излучает больше красных фотонов, чем синих, и ее цвет желтоватый. В галогенных лампах спираль раскалена сильнее, и их свет ближе к белому.
Когда горит свеча или факел, светятся мельчайшие раскаленные частички угля в пламени. Их температура не так высока, поэтому пламя красноватое. Когда в прошлом веке появились первые газовые фонари, их пламенем сильно нагревали специальные «калильные сетки», изготовленные из оксидов тория, церия и других редких металлов. Раскаленные сетки испускали очень яркий свет, которым освещали по ночам улицы.
Сильно раскаленное тело, кроме инфракрасных и видимых лучей, испускает также ультрафиолетовые лучи с l l = 254 нм). Ультрафиолет убивает микробов, поэтому такие лампы называются бактерицидными; их устанавливают в больницах и поликлиниках и периодически включают для стерилизации помещения. Трубки этих ламп делают из специального стекла, пропускающего ультрафиолетовый свет.
Если трубку для лампы сделать из обычного стекла, но покрыть ее изнутри специальным составом – люминофором (в переводе – «несущий свет»), получится лампа дневного света. Люминофор, поглощая невидимый и вредный для глаз ультрафиолет, сам начинает светиться. Лампы дневного света часто имеют приятный желтоватый оттенок, приближающий его к солнечному; соответственно бывают люминесцентные лампы дневного, белого, тепло-белого и холодно-белого света. Эти лампы значительно экономичнее ламп накаливания: современная 11-ваттная люминесцентная лампа дает света столько же, сколько 75-ваттная лампа накаливания! Срок службы люминесцентных ламп также в 2–2,5 раза больше. Еще одно преимущество – трубка люминесцентной лампы чуть теплая, о нее невозможно обжечься, значит, уменьшается опасность возгорания или оплавления пластмассового светильника. Но есть у люминесцентных ламп и неприятная особенность: в них содержится немного ртути, и когда такие лампы просто выбрасывают на свалку, где они бьются, то это приводит к загрязнению воздуха и почвы ядовитым металлом.
Если к парам ртути в лампе добавить под давлением инертный газ, а трубку сделать из тугоплавкого кварцевого стекла, можно значительно повысить температуру в ней и получить лампу типа «горное солнце». Такие лампы используют в медицинских целях, а также для получения искусственного загара в зимнее время (особенно в северных районах России, где мало естественного солнечного ультрафиолета).
Ртутные лампы высокого давления, наподобие тех, что применяют в кабинетах физиотерапии, используют и для освещения улиц. Эти лампы двойные: внутри у них кварцевая лампа, а снаружи – большой стеклянный баллон, также покрытый изнутри люминофором, который излучает свет, несколько напоминающий дневной. Такие лампы могут иметь мощность в десятки киловатт; их используют для освещения площадей, стадионов, железнодорожных узлов – везде, где требуется создать хорошее освещение на большой площади. Для этой цели используют также ксеноновые лампы сверхвысокого давления.
В последние десятилетия для уличного освещения начали широко использовать натриевые лампы, дающие желтовато-оранжевый цвет. Свет в этих лампах испускают пары натрия (иногда с добавками других металлов). Свет этих ламп довольно далек от дневного, но зато они экономичнее, так как при той же затрате электроэнергии дают значительно большую освещенность.
В веществах-люминофорах могут происходить различные физические процессы. Чтобы люминофор светился, его надо возбуждать, т.е. подводить энергию. Делать это можно разными способами. Самый распространенный способ возбуждения – светом, видимым или ультрафиолетовым (фотолюминесценция). Электроны с избыточной энергией могут излучить свет практически сразу – за время порядка стомиллионной доли секунды после поглощения возбуждающего фотона. В таком случае излучение называется флуоресценцией – от названия минерала флюорита CaF2, у которого впервые обнаружено это явление. Флуоресцируют синеватым светом кристаллы нафталина на солнечном свету, зеленоватым светом – растворов флуоресцеина или эозина (эти красители иногда добавляют к шампуням и экстрактам для ванн), ярко светятся на солнечном свету особые краски бакенов, цветных афиш, деталей одежды, фломастеров (маркеров). Это так называемые дневные флуоресцирующие красители – органические соединения, поглощающие ультрафиолетовые и синие солнечные лучи и излучающие зеленые, оранжевые или красные. Сильной флуоресценцией обладает хинин, соединение с исключительно горьким вкусом. Он используется как лекарство от малярии, его также добавляют к различным тонизирующим напиткам. Малые добавки хинина придают напиткам чуть горьковатый привкус, а также. способность ярко светиться под действием ультрафиолетовых лучей!
Флуоресцирующие красители входят в состав многих моющих средств. Здесь они выполняют роль оптических отбеливателей. Их назначение – преобразовать ультрафиолетовую часть солнечного света в голубой, синий и фиолетовый свет. Таким образом они «подправляют» чуть желтоватый цвет ткани так, что она кажется чисто белой. Этот прием известен с древности, только вместо синтетических флуоресцирующих красителей раньше подкрашивали ткань синькой.
Иногда фотолюминесценция не исчезает сразу после прекращения действия источника возбуждения, а может продолжаться несколько секунд, минут, а иногда и часов. Это фосфоресценция (от латинского phos – свет и phoros – несущий). Фосфоресценцию органических молекул можно наблюдать только в специальных условиях в лабораториях. А вот неорганические фосфoры – это те самые люминофоры, которыми покрыты изнутри лампы дневного света. Чаще всего это различные оксиды, сульфиды, фосфаты и силикаты. Кроме этих веществ, в состав люминофора вводят активирующие добавки сурьмы, марганца, олова, серебра, меди и других тяжелых металлов. Примером могут служить (Zn,Sr)3(PO4)2·Sn, BaSi2O5·Pb. В мировом выпуске всех классов люминофоров их доля составляет примерно 90%.
От ламп дневного света не требуется, чтобы они светились после отключения от сети. Но бывают люминофоры с длительным послесвечением, их используют для покрытия циферблатов и стрелок измерительных приборов. Если такой люминофор длительного действия «насветить» несколько минут на солнце, то потом в темноте в течение нескольких часов он будет светиться – сначала ярко, потом все более тускло.
Люминофоры для экранов телевизоров, мониторов, осциллографов относятся к катодолюминофорам – они возбуждаются пучком электронов (раньше их называли катодными лучами). Еще в конце 19 в. были найдены вещества, ярко светящиеся под действием электронов. В настоящее время по масштабам мирового производства (сотни тонн в год) катодолюминофоры занимают второе место после ламповых люминофоров. Некоторые из них перестают светиться после прекращения возбуждения очень быстро; если бы, к примеру, люминофор на экране телевизора светился хотя бы секунду после того, как с него ушел «рисующий» изображение электронный луч, картинка на экране была бы полностью смазана. Другие люминофоры, наоборот, должны обладать послесвечением. Ими покрыты экраны с «памятью» (в некоторых осциллографах, радиолокационных трубках). Для получения цветного изображения используют люминофоры со специальными активаторами. Например, в цветных телевизорах синее свечение экрана может давать ZnS·Ag, зеленое – (Zn,Cd)S·Cu,Al, красное – Y2(O,S)3·Eu. Разработаны и другие композиции, в которых сочетание трех основных цветов в различных соотношениях дает миллионы разнообразных оттенков. Используются они и при производстве компьютеров – для экранов цветных мониторов (если посмотреть в сильную лупу на белый экран, можно увидеть цветные светящиеся точки – пиксели). К катодолюминофорам близки ретгенолюминофоры, которыми покрыты экраны в рентгеновских кабинетах – они светятся под действием рентгеновских лучей. Кроме уже упомянутых люминофоров, здесь могут использоваться CaWO4, BaSO4·Pb и другие.
В отдельный класс выделяют электролюминофоры – вещества, светящиеся под действием электрического поля. Они непосредственно преобразуют электрическую энергию в световую, потребляя очень малую мощность и обладая очень большим сроком службы. Однако светимость электролюминофоров мала, поэтому их используют обычно для световой сигнализации. Например, надпись «выход», светящаяся зеленым светом в концертных залах, театрах и кинотеатрах, – это как раз пример электролюминофора.
Наконец, последний класс люминофоров – радиолюминофоры, свечение которых возбуждается излучением естественных или искусственных радиоактивных препаратов. Такие люминофоры могут светиться годами, а срок их работы часто обусловлен разрушающим действием радиации на люминофор. Радиолюминофоры сыграли в свое время огромную роль в изучении явлений радиоактивности: до изобретения электроизмерительных приборов (ионизационной камеры, счетчика Гейгера – Мюллера) ими покрывали небольшие пластинки и затем в полной темноте подсчитывали число вспышек на пластинке, чтобы определить интенсивность излучения от разных источников. Раньше радиолюминофором служил тетрацианоплатинат(II) бария Ba[Pt(CN)4]·4Н2О. Под действием радиации в нем возбуждается яркая желто-зеленая люминесценция. Сейчас используют значительно более дешевые люминофоры, например, активированный медью сульфид цинка. Раньше радиолюминофором – светящимся составом постоянного действия с примесью радиоактивного препарата покрывали стрелки и цифры часов. Из-за вредности (в основном для рабочих, занятых на производстве) такие часы сейчас не делают.
Особую группу светящихся веществ составляют соединения, испускающие свет за счет энергии химических реакций. Это явление называется хемилюминесценцией. Светиться могут гнилушки, светляки, некоторые морские одноклеточные организмы. Светятся и многие морские животные, обитающие как на поверхности моря, так и в его глубине. Это примеры биолюминесценции – свечения в живых организмах. Причина всех описанных явлений – химические реакции, идущие с выделением энергии. Обычно эта энергия выделяется в виде тепла, но в редких случаях часть ее переходит в световую. В живых организмах такие реакции (как и все другие) регулируются ферментами.
Известны и неферментативные химические реакции, в ходе которых наблюдается хемилюминесценция. Еще в 1669 алхимик из Гамбурга Хенниг Бранд случайно открыл белый фосфор по его свечению в темноте. Впоследствии химики выяснили, что белый фосфор легко испаряется, и светятся его пары, когда они реагируют с кислородом воздуха. В результате был открыт совершенно новый класс химических реакций.
Свечение паров фосфора, хотя и привело к важному научному открытию, не имеет практического значения. Однако химики обнаружили, что при окислении некоторых органических веществ, например, перекисью водорода, энергия реакции почти со 100%-ной эффективностью преобразуется в световую. При этом наблюдается настолько яркая хемилюминесценция, что ее можно видеть даже при дневном освещении. Это явление используют, например, для производства игрушек и украшений. Их делают в виде прозрачных пластмассовых трубочек, в которых запаяна ампула с перекисью водорода, а также раствор дифенилового эфира щавелевой кислоты и флуоресцентный краситель. Если ампулу раздавить, эфир начнет окисляться, энергия этой реакции передается на краситель, который и светится. Его цвет может быть разным – оранжевым, голубым, зеленым – в зависимости от красителя. Чем быстрее идет реакция окисления, тем ярче свечение, но тем быстрее оно прекращается. Подбором компонентов получают яркое (можно читать в темноте) свечение, которое затухает в течение примерно 12 часов – для карнавала или дискотеки этого вполне достаточно.