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Fluorescence
Fluorine sous un rayon de lumière blanche (à gauche) et ultra-violette (à droite)
Fluorine sous un rayon de lumière blanche (à gauche) et ultra-violette (à droite)

La fluorescence est une émission lumineuse provoquée par diverses formes d'excitation autres que la chaleur. (on parle parfois de " lumière froide "). Elle peut servir à caractériser un matériau (Un matériau est une matière d'origine naturelle ou artificielle que l'homme façonne pour en faire des objets. C'est donc une matière de base...).

Généralités

Divers minéraux fluorescents
Divers minéraux fluorescents

Une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, qui peut exister à l'état libre, et qui...) fluorescente (fluorophore ou fluorochrome) possède la propriété d'absorber de l'énergie (Dans le sens commun l'énergie désigne tout ce qui permet d'effectuer un travail, fabriquer de la chaleur, de la lumière, de produire un mouvement.) lumineuse (lumière d'excitation) et de la restituer rapidement sous forme de lumière (La lumière est l'ensemble des ondes électromagnétiques visibles par l'œil humain, c'est-à-dire comprises dans des longueurs d'onde de 380nm (violet) à 780nm (rouge). La lumière est intimement liée...) fluorescente (lumière d'émission). Une fois l'énergie du photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux particules chargées...) absorbée, la molécule se trouve alors dans un état électroniquement excité, généralement un état singulet, que l'on note S1*. Le retour à l'état fondamental (En physique quantique, les états fondamentaux d'un système sont les états quantiques de plus basse énergie. Tout état d'énergie supérieure à celle des états fondamentaux est un état excité.) peut alors se faire de différentes manières. L'une d'elles est l'émission d'un photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction électromagnétique. Autrement dit, lorsque deux...), c'est le phénomène de fluorescence (La fluorescence est une émission lumineuse provoquée par diverses formes d'excitation autres que la chaleur. (on parle parfois de « lumière froide »). Elle peut servir à caractériser un matériau.). La longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus éloignées. Lorsque l’objet est filiforme ou en forme de lacet, sa longueur est celle de l’objet complètement...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation réversible des propriétés physiques locales. Elle transporte de l'énergie sans transporter de...) ré-émise par la molécule excitée peut être de même longueur d'onde (fluorescence de résonance) ou de longueur d'onde plus grande. Le fait que la longueur d'onde d'émission soit plus grande provient du fait que, dans les milieux liquides en particulier, la molécule retourne à l'état fondamental à partir du niveau de vibration le plus bas de l'état excité (règle de Kasha's). Cette différence est appelée déplacement ( En géométrie, un déplacement est une similitude qui conserve les distances et les angles orientés. En psychanalyse, le déplacement est mécanisme de défense déplaçant la valeur, et finalement le sens En architecture navale, le...) de Stokes.

Ce déplacement du spectre d'émission vers des longueurs d'onde plus élevées, décrit par la loi de Stokes (La loi de Stokes, nommé en l'honneur de George Stokes est une loi liant la vitesse de chute d'une sphère dans un liquide par l'action de la gravité. Cette loi est utilisée pour calculer la vitesse de sédimentation,...), est essentiel pour la séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque chose ou son résultat. Plus particulièrement il est employé dans plusieurs domaines :) et la détection de la lumière de fluorescence, signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe sous forme d'objets ayant des formes particulières. Les...) spécifique délivré par le fluorophore.

Il existe un grand choix de fluorochromes, chacun pouvant être caractérisé par ses spectres d'excitation et d'émission.

Le principe de fluorescence est utilisé dans les microscopes confocaux à balayage laser (Un laser est un appareil émettant de la lumière (rayonnement électromagnétique) amplifiée par émission stimulée. Le terme laser provient de l'acronyme anglo-américain « light...) et les microscopes à fluorescence.

Le phénomène de fluorescence ne se limite pas à l'émission dans le spectre visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre électromagnétique qui est visible pour l'œil humain.), mais concerne également l'émission de rayons X (fluorescence X).

Historique de la fluorescence

Aux environs de l'an 1000 existait chez l'empereur de Chine, un tableau (Tableau peut avoir plusieurs sens suivant le contexte employé :) magique sur lequel un bœuf apparaissait chaque soir. Ce fut le premier exemple, dans l'histoire, d'un matériau fabriqué par l'Homme (Un homme est un individu de sexe masculin adulte de l'espèce appelée Homme moderne (Homo sapiens) ou plus simplement « Homme ». Par...), capable d'émettre de la lumière luminescente. Ce procédé fut retrouvé involontairement par un cordonnier à la fin du XVIe siècle.

Caractéristiques des fluorophores

Les différentes caractéristiques des fluorophores sont :

  • Longueurs d'onde : celles qui correspondent aux pics des spectres d'excitation et d'émission,
  • Coefficient (En mathématiques un coefficient est un facteur multiplicatif qui dépend d'un certain objet, comme une variable (par exemple, les coefficients d'un polynôme), un espace vectoriel, une fonction de base et ainsi de suite....) d'extinction (D'une manière générale, le mot extinction désigne une action consistant à éteindre quelque chose. Plus particulièrement on retrouve ce terme dans plusieurs...) (ou absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise par une autre entité, par exemple, un atome qui fait une transition entre deux niveaux d'énergie électronique. Le photon est détruit lors...) molaire) : il relie la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire, vecteur, nombre d’objets ou d’une autre manière de dénommer la valeur d’une collection ou un groupe de choses.) de lumière absorbée, pour une longueur d'onde donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire, souvent codée, d'une chose, d'une transaction, d'un événement, etc.), à la concentration du fluorophore en solution (M-1 cm-1)
  • Rendement quantique : efficacité relative de la fluorescence comparée aux autres voies de désexcitation (= nombre (La notion de nombre en linguistique est traitée à l’article « Nombre grammatical ».) de photons émis / nombre de photons absorbés)
  • Durée de vie (La vie est le nom donné :) à l'état excité : c'est la durée caractéristique pendant laquelle la molécule reste à l'état excité avant de retourner à son état basal (psec). Cette durée est assimilable à la demi-vie (La demi-vie est le temps mis par une substance (médicament, noyau radioactif, ou autres) pour perdre la moitié de son activité pharmacologique, physiologique ou radioactive. En particulier, la...) de l'état excité.
  • Photoblanchiment (photobleaching) : lorsque la molécule est à l'état excité, il existe une certaine probabilité (La probabilité (du latin probabilitas) est une évaluation du caractère probable d'un évènement. En mathématiques, l'étude des probabilités est...) pour qu'elle participe à des réactions chimiques (on parle alors de réactions photochimiques), en particulier avec l'oxygène (L’oxygène est un élément chimique de la famille des chalcogènes, de symbole O et de numéro atomique 8.) sous forme de radicaux libres. Le fluorochrome perd alors ses propriétés de fluorescence. Autrement dit, quand on excite une solution de molécules fluorescentes, une certaine proportion d'entre elles est détruite à chaque instant (L'instant désigne le plus petit élément constitutif du temps. L'instant n'est pas intervalle de temps. Il ne peut donc être considéré comme une durée.) et par conséquent l'intensité de fluorescence décroît au cours du temps (Le temps est un concept développé par l'être humain pour appréhender le changement dans le monde.). Ce phénomène peut être gênant, notamment en microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique plane de faible épaisseur) à travers le microscope. La microscopie permet de rendre visible des éléments invisibles à l'œil...) de fluorescence, mais il peut également être mis à profit pour mesurer la mobilité moléculaire par la méthode de redistribution de fluorescence après photoblanchiment (FRAP) ou de FLIP (Perte de fluorescence au cours d'un photoblanchiment local).

Applications quotidiennes

Applications diverses

Du fait que la fluorescence se traduit généralement par l'émission de lumière visible (La lumière visible, appelée aussi spectre visible ou spectre optique est la partie du spectre électromagnétique qui est visible pour l'œil humain.) à partir d'une source d'énergie invisible (ultraviolets), les objets fluorescents paraissent plus lumineux que des objets de même teinte, mais non fluorescents. Cette propriété est utilisée par les peintures anti-collision de couleur (La couleur est la perception subjective qu'a l'œil d'une ou plusieurs fréquences d'ondes lumineuses, avec une (ou des) amplitude(s) donnée(s).) orange dont on peint, par exemple, certaines parties des avions, mais aussi dans un simple but esthétique (vêtements, etc.)

La fluorescence est également utilisée dans le cas de la lumière noire (La lumière noire ou lumière de Wood (du nom de l'inventeur Robert William Wood), est une lumière composée de violet et de proche ultraviolet.), source lumineuse composée essentiellement de proches ultra-violets, qui fait ressortir les blancs et les objets fluorescents lorsqu'elle est émise dans la pénombre, afin de créer une ambiance spéciale.

La fluorescence est aussi utilisée en imagerie (L’imagerie consiste d'abord en la fabrication et le commerce des images physiques qui représentent des êtres ou des choses. La...) par rayons X car elle permet de convertir les rayons X en lumière visible pour l'œil ou un capteur (Un capteur est un dispositif transformant l'état d'une grandeur physique observée en une grandeur utilisable exemple : une tension...) CCD.

Tube fluorescent

Le tube fluorescent (nom officiel: tube luminescent) est une autre application bien connue. Ces tubes servent (Servent est la contraction du mot serveur et client.) à l'éclairage industriel et domestique (appelés "néons" par erreur: car le gaz (Un gaz est un ensemble d'atomes ou de molécules très faiblement liés et quasi-indépendants. Dans l’état gazeux, la matière n'a...) néon (Le néon est un élément chimique, de symbole Ne et de numéro atomique 10.) émettrait une lumière rouge). Ils contiennent des gaz, le plus souvent des vapeurs de mercure à basse pression (La pression est une notion physique fondamentale. On peut la voir comme une force rapportée à la surface sur laquelle elle s'applique.) ou de l'argon, qui émettent une lumière ultraviolette invisible. La paroi intérieure est recouverte d'un mélange (Un mélange est une association de deux ou plusieurs substances solides, liquides ou gazeuses qui n'interagissent pas chimiquement. Le résultat de l'opération est une...) de poudres fluorescentes qui réémettent cette lumière dans le domaine visible en s'approchant du blanc (Le blanc est la couleur d'un corps chauffé à environ 5 000 °C (voir l'article Corps noir). C'est la sensation visuelle obtenue avec un spectre lumineux continu,...). Ces tubes offrent un bien meilleur rendement électrique qu'une lampe à incandescence classique, c'est-à-dire qu'ils émettent plus de lumens par watt (Le watt (symbole W) est une unité dérivée du système international pour la puissance. Un watt est la puissance d'un système énergétique dans lequel une énergie de 1 joule est transférée...) et, donc chauffent beaucoup moins. Aujourd'hui, la forme peut changer et l'électronique qui les contrôle (Le mot contrôle peut avoir plusieurs sens. Il peut être employé comme synonyme d'examen, de vérification et de maîtrise.) permet un rendement encore amélioré. On trouve ainsi des lampes dites à économie d'énergie pouvant remplacer avantageusement les lampes classiques.

Source: Wikipédia publiée sous licence CC-BY-SA 3.0.

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