Terminy: luminescencja, fotoluminescencja, fluorescencja i fosforescencja są rutynowo używane w pracach badawczych do opisania emisji światła z próbki. To wielokrotne nazewnictwo może być mylące z kilku terminów używanych zamiennie i naukowców z różnych środowisk naukowych wolą używać jednej nazwy nad drugą. W tym artykule odpowiadamy na pytanie: „Jaka jest różnica między luminescencją, fotoluminescencją, fluorescencją i fosforescencją”.

Co to jest luminescencja?

Luminescencja to każda emisja światła (fal elektromagnetycznych) z substancji, która nie powstaje w wyniku ogrzewania. Ta definicja odróżnia luminescencję od żarzenia, które jest emisją światła spowodowaną podwyższoną temperaturą substancji, jak np. żarzący się gorący węgielek. Słowo luminescencja pochodzi od łacińskiego słowa oznaczającego światło, lumen, i łacińskiego escentia, oznaczającego „proces”, a więc jest to proces wydzielania światła.

Istnieje wiele typów luminescencji, które można sklasyfikować według źródła energii, które inicjuje proces luminescencji. Przegląd różnych typów luminescencji i ich źródeł energii przedstawiono na rysunku 2. Wiele z tych procesów luminescencji ma ważne zastosowania naukowe i przemysłowe, takie jak elektroluminescencja, w której światło jest emitowane w wyniku rekombinacji elektronów i dziur po przyłożeniu pola elektrycznego do materiału i jest zasadą działania diod elektroluminescencyjnych; oraz chemiluminescencja, w której emisja światła jest inicjowana przez reakcję chemiczną i jest wykorzystywana w badaniach biologicznych oraz jest odpowiedzialna za świecenie pałeczek jarzeniowych. Jednak w tym artykule skupiamy się na fotoluminescencji, która stanowi podstawę potężnej nieniszczącej techniki spektroskopowej, spektroskopii fotoluminescencyjnej, która jest szeroko stosowana zarówno w środowisku akademickim, jak i w przemyśle.

Co to jest fotoluminescencja?

Fotoluminescencja jest emisją światła z materiału po absorpcji światła. Słowo to samo w sobie jest interesujące, ponieważ jest połączeniem łacińskiego słowa luminescencja i greckiego przedrostka photo- oznaczającego światło. Każda luminescencja, która jest wywołana przez absorpcję fotonów jest nazywana fotoluminescencją. Może to być również emisja światła z cząsteczki barwnika organicznego w roztworze (Rysunek 3a) lub rekombinacja pasmowa elektronów i dziur po fotoutlenieniu półprzewodnika (Rysunek 3b).

Opisywanie każdej emisji światła wywołanej absorpcją fotonów jako fotoluminescencji jest dokładne; jednak powszechną praktyką, szczególnie wśród chemików, jest dalszy podział fotoluminescencji na fluorescencję i fosforescencję.

Jaka jest różnica między fluorescencją i fosforescencją?

Istnieją różne definicje fluorescencji i fosforescencji z najprostszą, że fluorescencja jest szybka fotoluminescencja, która występuje bardzo krótko po fotoekscytacji substancji, podczas gdy fosforescencja jest długotrwała fotoluminescencja, która trwa długo po ustaniu fotoekscytacji. Chociaż jest to prosta definicja, nie wyjaśnia ona, dlaczego występują takie różnice w skalach czasowych fotoluminescencji i niektóre materiały mogą znaleźć się w szarej strefie pomiędzy klasycznymi skalami czasowymi fluorescencji i fosforescencji. Bardziej dokładna definicja musi być oparta na mechanice kwantowej stanów wzbudzonych i podstawowych biorących udział w procesie emisji. Przy takim podejściu fluorescencję i fosforescencję można zdefiniować odpowiednio jako fotoluminescencję, w której przejście radiacyjne nie wymaga zmiany krotności spinu i fotoluminescencję, w której przejście radiacyjne wymaga zmiany krotności spinu.

Fluorescencja i fosforescencja są najczęściej używane w odniesieniu do fotoluminescencji z układów molekularnych. Elektrony w stabilnych cząsteczkach zawsze występują w parach, ponieważ cząsteczki z niesparowanymi elektronami są bardzo reaktywne i niestabilne. Elektrony posiadają wewnętrzny moment pędu znany jako „spin” i para elektronów może istnieć w jednym z dwóch całkowitych stanów spinowych, w zależności od względnej symetrii spinów dwóch elektronów. Jeśli dwa spiny są w konfiguracji antysymetrycznej, para elektronów ma całkowity spin równy zero (S = 0), podczas gdy jeśli są w konfiguracji symetrycznej, para ma całkowity spin równy jeden (S = 1). Jak pokazano na rysunku 4 istnieje jedna kombinacja stanów pary spinowej elektronów, która jest antysymetryczna i trzy kombinacje stanów pary spinowej, które są symetryczne i dlatego stany S = 0 i S = 1 są nazywane odpowiednio singletem i trypletem.

Gdy foton jest absorbowany przez cząsteczkę, jeden z elektronów jest promowany na wyższy poziom energetyczny i cząsteczka jest teraz w stanie wzbudzonym. Stan podstawowy cząsteczki jest (prawie) zawsze stanem singletowym (S0) i ze względu na zachowanie momentu pędu stan fotowzbudzony musi być również stanem singletowym (S1), jak pokazano na poniższym diagramie Jabłońskiego. Rozpad stanu S1 z powrotem do S0 jest dozwolonym przejściem (ponieważ oba stany mają tę samą krotność spinu), co skutkuje szybką fotoluminescencją, która występuje w skali czasowej od pikosekund do nanosekund i jest nazywana fluorescencją.

Alternatywnie cząsteczka może ulec przejściu międzysystemowemu (ISC) do wzbudzonego stanu trypletowego (T1). ISC zazwyczaj występuje w cząsteczkach o wysokim stopniu sprzężenia spin-orbita, sprzężenia orbitalnego momentu pędu i spinowego momentu pędu elektronu, co umożliwia konwersję pomiędzy stanem singletowym i trypletowym. Siła sprzężenia spin-orbita rośnie wraz z masą atomu, dlatego cząsteczki fosforescencyjne muszą zawierać metale ciężkie, takie jak europ i iryd. Rozpad stanu T1 z powrotem do S0 jest przejściem zabronionym, ponieważ stany te mają różną krotność spinową, ze względu na zachowanie momentu pędu. Jednak sprzężenie spin-orbita rozluźnia to ograniczenie i możliwe staje się przejście radiacyjne ze stanu T1 do S1. Ponieważ jest to „zabronione”, fotoluminescencja będąca wynikiem przejścia z T1 na S0 zachodzi w znacznie wolniejszej skali czasowej, od mikrosekund do tysięcy sekund, i nazywana jest fosforescencją.

Należy również zauważyć, że emisja z niektórych materiałów nie zawsze zgrabnie mieści się w jednej lub drugiej kategorii. Przykładem tego jest termicznie aktywowana opóźniona fluorescencja (TADF). W TADF poziomy S1 i T1 są blisko energetyczne i silnie sprzężone, dlatego możliwe jest odwrócenie ISC z T1 do S1. Powoduje to opóźnione przejście S1 do S0, co skutkuje fotoluminescencją w skali czasowej pomiędzy fluorescencją a fosforescencją, znaną jako opóźniona fluorescencja. Więcej informacji na temat TADF i jego zastosowania w wysokowydajnych diodach OLED można znaleźć w poście „Co to jest TADF?”.

Kiedy opisać emisję jako fotoluminescencję lub fluorescencję/fosforescencję, zależy ostatecznie od osobistych preferencji. Chemicy i biolodzy, którzy przede wszystkim badają systemy molekularne, preferują użycie fluorescencji i fosforescencji, ponieważ w tych wysoce zlokalizowanych systemach molekularnych istnieją odrębne stany singletowe i trypletowe. Z kolei fizycy badają głównie materiały półprzewodnikowe, w których elektrony są silnie zdelokalizowane i pojęcie stanu singletowego i trypletowego często przestaje mieć znaczenie. Jest to jeden z powodów, dla których fizycy używają szerszego terminu fotoluminescencja do opisania emisji światła.

Jakkolwiek zdecydujesz się to nazwać; fotoluminescencja, fluorescencja i fosforescencja może dostarczyć wielu informacji na temat właściwości cząsteczek i materiałów; począwszy od określenia czasu życia nośników ładunku w ogniwach słonecznych do pomiaru dynamiki solwatacji wokół miceli w żywych komórkach.

Produkty do pomiaru luminescencji, fotoluminescencji, fluorescencji i fosforescencji

Do pomiaru fotoluminescencji wymagany jest spektrometr fotoluminescencji. Edinburgh Instruments oferuje szeroki zakres spektrometrów fotoluminescencji zliczających pojedyncze fotony do pomiaru widm fotoluminescencji, czasów życia, anizotropii i wydajności kwantowej próbek.

Keep in Touch

Jeśli podobało Ci się czytanie tego artykułu i chciałbyś być pierwszym, który zobaczy wszystkie najnowsze wiadomości, aplikacje i informacje o produktach firmy Edinburgh Instruments, zapisz się do naszego rzadkiego newslettera poprzez czerwony przycisk poniżej i śledź nas na mediach społecznościowych.