Fluorescence - Définition

Introduction

La fluorescence est une émission lumineuse provoquée par l'excitation d'une molécule (généralement par absorption d'un photon) immédiatement suivie d'une émission spontanée. Ce processus est différent de la phosphorescence. La fluorescence peut entre autres servir à caractériser un matériau.

Différences entre fluorescence et phosphorescence

Schéma fluorescence vs phosphorescence

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 absorbée, la molécule se trouve alors généralement dans un état électroniquement excité, souvent un état singulet, que l'on note S0*. Le retour à l'état fondamental peut alors se faire de différentes manières : soit par fluorescence, soit par phosphorescence.

La fluorescence est caractérisée par l'émission d'un photon de manière très rapide. Cette rapidité s'explique par le fait que l'émission respecte une des règles de sélection de l'émission de photons de la mécanique quantique qui est ΔS=0, ce qui signifie que la molécule reste dans un état singulet.

La phosphorescence quant à elle est caractérisée par une transition d'un état S=0 vers un état S=1 (état triplet), qui n'est pas permise par le modèle quantique, mais qui est rendue possible par le couplage spin-orbite. Cependant, la transition est plus lente à s'effectuer. Suit alors une émission de photon pour retourner à l'état fondamental.

Historique de la fluorescence

• Aux environs de l'an 1000 existait chez l'empereur de Chine, un tableau magique sur lequel un bœuf apparaissait chaque soir. Ce fut le premier exemple, dans l'histoire, d'un matériau fabriqué par l'Homme, capable d'émettre de la lumière luminescente.
• Ce procédé fut retrouvé involontairement par un cordonnier à la fin du XVI^e siècle.

• Le terme dérive du minéral fluorite qui à la particularité de présenter très fréquemment une fluorescence, mais aussi une triboluminescence, voir une thermoluminescence sans être phosphorescente.

Fluorite

Adamite fluorescence verte et hémimorphite fluorescence bleu pâle

Calcite

Minéraux pouvant présenter une fluorescence

adamite, albite, allophane ,alunite, amblygonite, analcime, andalousite, anglésite, anhydrite, ankérite, anthophyllite, aragonite,autunite, bénitoïte, berlinite, calcite, célestine, cérusite, chamosite, charlesite, cristobalite, danburite, disthène, dolomite, épidote, érythrite, fluorite, fluorapatite, gypse, halite, haüyne, hémimorphite, heulandite, lussatite, manganaxinite, magnésio-axinite, magnésite,mélanophlogite, mellite, natrolite, okénite, oligoclase, opale, périclase, phlogopite, phosgenite, prehnite,quartz, rhodonite, scolécite, smithsonite, sphalérite, spodumène, trémolite, topaze, torbernite, tridymite, variscite, wollastonite, zoïsite.

Champignon fluorescent

sous UVA

Divers minéraux fluorescents

Généralités

La lumière ré-émise par la molécule excitée lors de la fluorescence peut être de même longueur d'onde (fluorescence de résonance) ou de longueur d'onde plus grande ou plus petite. Dans les milieux liquides en particulier, le fait que la longueur d'onde d'émission après excitation soit plus grande provient du fait que la molécule retourne à l'état fondamental à partir du niveau de vibration le plus bas de l'état excité (règle de Kasha). Cette différence est appelée déplacement de Stokes.

Ce déplacement du spectre d'émission vers des longueurs d'onde plus élevées, décrit par le déplacement de Stokes, facilite grandement la séparation et la détection de la lumière de fluorescence, signal 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, entre autres, dans les microscopes confocaux à balayage laser, les microscopes à fluorescence et les spectrofluoromètres.

Le phénomène de fluorescence ne se limite pas à l'émission dans le spectre visible, mais concerne toute la gamme du spectre électromagnétique, notammment l'émission de rayons X (fluorescence X).