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.
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Généralités
Une molécule fluorescente (fluorophore ou fluorochrome) possède la propriété d'absorber de l'énergie lumineuse (lumière d'excitation) et de la restituer rapidement (<1 nsec) sous forme de lumière fluorescente (lumière d'émission).
Une fois l'énergie du photon absorbée, la molécule se trouve alors dans un état électroniquement excité, généralement un état singulet, que l'on note S1*. Le retour à létat fondamental, peut alors se faire de différente manière. L'une d'elle est l'émission d'un photon, c'est le phénomène de fluorescence. La longueur d'onde 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'onde d'émission soit plus grande provient du fait que, dans les milieux liquide en particulier, la molécule retourne à l'état fondamental à partie 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, est essentiel pour 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 dans les microscopes confocaux à balayage laser et les microscopes de fluorescence.
Historique de la fluorescence
Aux environ 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 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 d'extinction (ou absorption 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 de photons émis / nombre de photons absorbés)
- Durée de vie à l'état excité : c'est la durée moyenne pendant laquelle la molécule reste à l'état excité avant de retourner à son état basal (psec).
- 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 et par conséquent l'intensité de fluorescence décroît au cours du temps. Ce phénomène peut être gênant, notamment en microscopie 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).
Applications quotidiennes
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 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 par rayons X car elle permet de convertir les rayons X en lumière visible pour l'oeil ou un capteur CCD.