Fluorescence - Définition et Explications

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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...).

Généralités

Divers minéraux fluorescents
Divers minéraux fluorescents

Une molécule (Une molécule est un assemblage chimique électriquement neutre d'au moins deux atomes, 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...) 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...) fluorescente (lumière d'émission). Une fois l'énergie du photon (En physique des particules, le photon est la particule élémentaire médiatrice de l'interaction...) 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...) peut alors se faire de différentes manières. L'une d'elles est l'émission d'un photon (En physique des particules, le photon (souvent symbolisé par la lettre γ — gamma)...), c'est le phénomène de fluorescence (La fluorescence est une émission lumineuse provoquée par diverses formes d'excitation autres que...). La longueur (La longueur d’un objet est la distance entre ses deux extrémités les plus...) d'onde (Une onde est la propagation d'une perturbation produisant sur son passage une variation...) 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...) 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...), est essentiel pour la séparation (D'une manière générale, le mot séparation désigne une action consistant à séparer quelque...) et la détection de la lumière de fluorescence, signal ( Termes généraux Un signal est un message simplifié et généralement codé. Il existe...) 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)...) 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...), 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...), 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...) d'extinction (D'une manière générale, le mot extinction désigne une action consistant à éteindre quelque...) (ou absorption ( En optique, l'absorption se réfère au processus par lequel l'énergie d'un photon est prise...) molaire) : il relie la quantité (La quantité est un terme générique de la métrologie (compte, montant) ; un scalaire,...) de lumière absorbée, pour une longueur d'onde donnée (Dans les technologies de l'information, une donnée est une description élémentaire,...), 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...) 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...) 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...) 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...) sous forme de radicaux libres. Le fluorochrome (Un fluorochrome ou fluorophore est une substance chimique capable d'émettre de la lumière...) 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...) 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...). Ce phénomène peut être gênant, notamment en microscopie (La microscopie est l'observation d'un échantillon (placé dans une préparation microscopique...) 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...) 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...) 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...), 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...) 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...) 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...) 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...) ou de l'argon (L’argon est un élément chimique, de symbole Ar et de numéro atomique 18.), 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...) 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...). 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...) 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...) permet un rendement encore amélioré. On trouve ainsi des lampes dites à économie d'énergie pouvant remplacer avantageusement les lampes classiques.

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