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.

Généralités

Divers minéraux fluorescents

Une molécule fluorescente (fluorophore ou fluorochrome) possède la propriété d'absorber de l'énergie lumineuse (lumière d'excitation) et de la restituer rapidement sous forme de lumière 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 électriquement...) 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 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 particules chargées électriquement interagissent, cette...), 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...). 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...) 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 matière. Une onde transporte...) 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 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...), est essentiel pour la séparation 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 signaux lumineux sont...) 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...) 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 distinction, l'homme prépubère est appelé un garçon, tandis que...), capable d'émettre de la lumière luminescente. Ce procédé fut retrouvé involontairement par un cordonnier à la fin du XVI^e 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...) d'extinction (D'une manière générale, le mot extinction désigne une action consistant à éteindre quelque chose. Plus particulièrement on retrouve ce...) (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...) molaire) : il relie la quantité de lumière absorbée, pour une longueur d'onde donnée, 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 demi-vie est le...) de l'état excité.
• Photoblanchiment (photobleaching) : lorsque la molécule est à l'état excité, il existe une certaine probabilité pour qu'elle participe à des réactions chimiques (on parle alors de réactions photochimiques), en particulier avec l'oxygène 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 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 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, 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 fabrication se faisait jadis...) 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 électrique, une hauteur de mercure, une intensité, la...) 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...) néon 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 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, d'où l'image que l'on en donne...). 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...) et, donc chauffent beaucoup moins. Aujourd'hui, la forme peut changer et l'électronique qui les contrôle permet un rendement encore amélioré. On trouve ainsi des lampes dites à économie d'énergie pouvant remplacer avantageusement les lampes classiques.