Luminescencja

Luminescencja
Luminescencja
Anna Kaczmarek–Kędziera
Katedra Chemii Materiałów, Adsorpcji i Katalizy
Wydział Chemii UMK, Toruń
Chemia koloru
2016
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Przykładowe pytania egzaminacyjne
1. Barwą niespektralną jest:
I
I
I
I
biel
czerń
purpura
zieleń
2. Niebieski kolor nieba jest wynikiem:
I
I
I
I
ruchu obrotowego Ziemi
rozpraszania swiatła na atmosferze
absorpcji promieniowania UV przez atmosferę
fluorescencji warstwy ozonowej atmosfery
3. Czerwona kurtka w niebieskim świetle wygląda na czarną. Dlaczego?
I
I
I
I
niebieskie światło przytłumia czerwone
kurtka nie absorbuje niebieskiego światła
kurtka absorbuje niebieskie światło
kurtka odbija czarne światło
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Przykładowe pytania egzaminacyjne
1. Marchewka zawdzięcza swoją barwę obecności
I
I
I
I
barwników antocyjanowych
barwników melaninowych
likopenu
karotenu
2. Siniaki zmieniają barwę na zieloną i żółtą z powodu
I
I
I
I
rozkładu hemoglobiny do biliwerdyny, a następnie do bilirubiny
biosyntezy barwników chlorofilowych
natlenowania krwi, co prowadzi do zmiany koloru hemoglobiny
wiązaniu przez hemoglobinę dodatkowych kationów żelaza
3. Objawi wampiryzmu wynikają z:
I
I
I
I
chorób hemolitycznych polegających na rozpadzie czerwonych krwinek
porfirii, czyli choroby zaburzającej enzymy w szlaku syntezy porfiryn
przemiany hemoglobiny w biliwerdynę i bilirubinę
obecności podwyższonej ilości hemoglobiny nie zawierającej kationów
żelaza
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Przykładowe pytania egzaminacyjne
1. Wchłanianie kurkuminy poprawia
I
I
I
I
obecność piperyny z pieprzu lub kwercetyny z kapusty lub szpinaku
rozpuszczanie jej w dużej ilości wody
poddawanie obróbce termicznej
spożywanie w towarzystwie potraw kwaśnych
2. Czerwony barwnik chinonowy używany do barwienia np. jogurtów owocowych,
pozyskiwany z pancerzyków czerwców kaktusowych to
I
I
I
I
ksantofil
likopen
koszenila
czerwień Allura
3. Do wykrywania śladów krwi w kryminalistyce wykorzystwany jest następujący
barwnik:
I
I
I
I
fluoresceina
chlorofil
ryboflawina
zeaksantyna
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Przykładowe pytania egzaminacyjne
1. Typowym przykładem reakcji fotochromowej nie jest
I
I
I
I
izomeryzacja spiropiran-merocyjanina
izomeryzacja E-Z stilbenu
izomeryzacja E-Z azobenzenów
6π-elektrocyklizacja formy Z w stilbenie
2. Testery baterii Duracella wykorzystują zjawisko
I
I
I
I
termochromizmu
elektrochromizmu
fotochromizmu
termoluninescencji
3. Skala polarności rozpuszczalników Reichardta ET (30) oparta jest na zjawisku:
I
I
I
I
fotochromizmu barwników betainowych
solwatochromizmu betainy 30
zmiany polarności rozpuszczalnika pod wpływem absorpcji promieniowania
z zakresu widzialnego
zmiany pH roztworu pod wpływem dodatku substancji halochromowej
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Plan wykładu 30 godzin
1. Powstawanie koloru, narząd wzroku (2 godz.)
2. Teorie koloru, historia barw, harmonia barw, kolory w sztuce (2 godz.)
3. Diagram Jabłońskiego, absorpcja, emisja promieniowania, rozszczepienie, ugięcie
promieniowania (2 godz.)
4. Zjawiska naturalne związane z kolorem: tęcza, mgła, zorza (2 godz.)
5. Barwniki naturalne: biologia i kolor (2 godz.)
6. Barwniki w życiu codziennym: spożywcze naturalne i syntetyczne, kosmetyczne,
barwniki do tekstyliów, farby (2 godz.)
7. Barwniki w medycynie, biologii, technologii i chemii analitycznej (2 godz.)
8. Nieorganiczne związki barwne, minerały, związki kompleksowe metali, szereg
spektrochemiczny (2 godz.)
9. Chromotropizm, solwatochromizm, termochromizm, fotochromizm,
elektrochromizm (2 godz.)
10. Metody pozyskiwania barwników narturalnych i syntezy barwników syntetycznych
(2 godz.)
11. Aspekty ekologiczne i toksykologiczne barwników (2 godz.)
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Luminescencja
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Luminescencja
Luminescencja, zimne świecenie – zjawisko emisji fal świetlnych przez luminofory
wywołane inną przyczyną niż rozgrzanie ich do wysokiej temperatury (promieniowanie
zimnego ciała)
I chemiluminescencja – wytworzona w trakcie niektórych reakcji chemicznych
I elektroluminescencja – świecenie pod wpływem stałego lub zmiennego prądu
elektrycznego
I elektronoluminescencja (katodoluminescencja) – świecenie pod wpływem
elektronów przyspieszanych napięciem między elektrodami (ten rodzaj
wzbudzania ma liczne zastosowania w kineskopach, oscyloskopach, mikroskopach
elektronowych itp.)
I fotoluminescencja – wywołana przez pochłonięcie promieniowania
elektromagnetycznego z obszaru widzialnego, ultrafioletu lub podczerwieni.
Pochłonięta energia jest następnie wyemitowana także w postaci światła, na
ogół o energii mniejszej niż energia światła wzbudzającego. Ze względu na czas
trwania fotoluminescencję dzieli się na:
I
I
fluorescencję – zjawisko trwające wyłącznie podczas działania czynnika
wzbudzającego
fosforescencję – zjawisko trwające również przez pewien czas po ustąpieniu
czynnika wzbudzającego; substancje zdolne do fosforescencji nazywane są
zwyczajowo fosforami
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Luminescencja
I scyntylacja – emisja światła pod wpływem promieniowania jonizującego
I rentgenoluminescencja – wywołana promieniowaniem rentgenowskim
I radioluminescencja – świecenie pod wpływem promieniowania α, β, γ
I sonoluminescencja – wywołana ultradźwiękami
I termoluminescencja – wywołana podniesieniem temperatury, jednak do niższej
niż temperatura żarzenia
I tryboluminescencja – wywołana czynnikiem mechanicznym, np. tarciem,
zginaniem, ściskaniem
I bioluminescencja, czyli zjawiska emitowania w ciemności fal świetlnych przez
organizmy żywe, które to zjawiska są jednak w rzeczywistości niektórymi z
powyżej wymienionych form luminescencji (najczęściej jest to
chemiluminescencja)
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Luminescencja
I iryzacja: powstawanie tęczowych barw w wyniku interferencji światła białego
odbitego od przezroczystych lub półprzezroczystych ciał składających się z wielu
warstw substancji o różnych własnościach optycznych
I opalescencja: iryzacja na powierzchni minerałów (np. opalu) wskutek odbicia
światła niebieskiego, które ulega rozproszeniu w szczelinach wypełnionych wodą i
na mikroskopowych spękaniach
I opalizacja: gra barw, które zmieniają się w zależności od kąta obserwacji;
spowodowane jest wielokrotnym odbiciem światła od gęsto ułożonych warstw lub
kuleczek występujących w częściowo przeźroczystym materiale → światło ulega
dyfrakcji i interferencji
I schillerescencja: szczególny rodzaj iryzacji odznaczający się migotliwością i
częstokroć tęczową grą barw czy objawianiem się połyskującego pasemka
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Fotoluminescencja
I emisja promieniowania elektromagnetycznego wywołana pochłonięciem przez
cząsteczki energi świetlnej z zakresu IR lub UV-Vis
I rozpoczynana poprzez fotowzbudzenie (dzięki działaniu fotonów)
I czas pomiędzy absorpcją a emisją: od femtosekund dla plazmy w
nieorganicznych półprzewodnikach do godzin (zwykle milisekundy)
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Fotoluminescencja
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Fotoluminescencja
I fluorescencja:
proces szybki
energia emitowanych fotonów niższa niż wzbudzających (red shift)
I fosforescencja:
I proces wolny
I intersystem crossing: bezpromieniste przejście pomiędzy stanami o różnej
multipletowości
I
I
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Fotoluminescencja: Fluorescencja
I zastosowania praktyczne: mineralogia i gemmologia, sensoryka, znakowanie
fluorescencyjne, lampy fluorescencyjne
I zjawiska naturalne: minerały, zwierzęta
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Światło biotyczne
I biofluorescencja: absorpcja promieniowania widzialnego przez białko
fluorescencyjne w żywym organizmie i reemisja światła o mniejszej energii
(światło emitowane ma inny kolor niż absorbowane)
I biofosforescencja: elektron pobudzony zyskuje dużą stabilność i emisja zachodzi
nawet po zaniknięciu zewnętrznego czynnika stymulującego
I ale bioluminescencja: produkcja światła przez organizm dzięki reakcjom
chemicznym: rodzaj chemoluminescencji!
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Biofluorescencja w zbiornikach wodnych
I fluorescencja wymaga absorpcji światła z zewnętrznego źródła
I strefa eufotyczna: strefa powierzchniowa zbiorników wodnych, wystawiona na
działanie światła, w której nad zużywaniem tlenu przeważa produkcja pierwotna
(fotosynteza)
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Biofluorescencja w zbiornikach wodnych
I wykazujące biofluorescencję rekiny, jaszczurnikowate, skorpenowate,
flądrokształtne, wargaczowate mogą posiadać żółte filtry wewnątrzgałkowe,
które pozwalają im dostrzegać kontrasty i kształty niewidoczne dla innych
drapieżników (kamuflaż)
I absorpcja niebieskiego światła i emisja czerwonego: czerwone światło
niewidzialne dla wielu drapieżników, bo nie dociera do głębszych warstw
I koralowce: konwersja światła ”bezużytecznego” na takie, które symbiotyczne
algi mogą wykorzystać do fotosyntezy
I meduzy: z Aequorea victoria pozyskano pierwotnie GFP (green fluorescent
protein)
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Biofluorescencja w zbiornikach wodnych
I strefa afotyczna: zbyt mało światła, aby zachodziła fotosynteza
I rurkopławy: fluorescencja jest skutkiem ubocznym własnej bioluminescencji i ma
wabić ofiary
I zwisłoszczęk czarny: niebieskie światło, które emituje wskutek bioluminescencji,
przetwarza na czewone, niewidoczne dla innych zwierząt
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Biofluorescencja na ziemi
I motyle paziowate: skrzydła zawierają kryształki, które skierowują światło do
fluorescencji (fluorescencja zachodzi przy niebieskim świetle padającym, najlepiej
widzianym przez motyle)
I papugi, np. faliste: chętny wybór partnerów wykazujących fluorescencję (wysiłek
włożony w produkcję barwników fluorescencyjnych gwarantuje silne potomstwo)
I pajęczaki: fluorescencja pod wpływem UV, szeroko rozpowszechniona u pająków
I kwiaty, np. dziwaczek Mirabilis jalapa: żółte fluorescencyjne betaksantyny,
fioletowe fluorescencyjne betacyjaniny
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Abiotyczna fluorescencja
I kamienie szlachetne, minerały
I ciecze organiczne: antracen, stilben rozpuszczone w benzenie lub toluenie
I atmosfera: fluorescencja pod wpływem bombardowania powietrza elektronami
(np. powstające w czasie tworzenia zorzy cząsteczki i jony mają zdolność
fluorescencji)
I witamina B (ryboflawina), tonik (chinina), pisaki fluorescencyjne (piranina)
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Fluorescencja: zastosowania
I lampy fluorescencyjne, świetlówki: lampy wyładowcze, pary rtęci pod niskim
ciśnieniem wzbudzane przez prąd elektryczny emitują promieniowanie UV,
indukujące fluorescencję powłoki z fosforu
I chemia analityczna: fluorymetr do analizy jakościowej i ilościowej (wysoka
czułość: 1 ppt), np. potwierdzanie efektywności pasteryzacji mleka (po
pasteryzacji fosfataza hydrolizująca odczynnik do fluoroforu jest zdenaturowana i
nie obserwujemy fluorescencji próby)
I spektroskopia fluorescencyjna: spektrofluorymetr (różnią się od fluorymetrów
sposobem wyboru fali padającej: filtr/monochromator)
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Fluorescencja: zastosowania
I biochemia i medycyna: niedestruktywna technika wykrywania i analizy
biocząsteczek
I
I
I
I
I
niewiele składników komórek wykazujących autofluorescencję
znakowanie białek
mikroskopia fluorescencyjna
immunologia: przeciwciała z przyłączonymi grupami fluorescencyjnymi
biosensory, np. glukozy dla diabetyków (w fazie testowania)
I kryminalistyka: badanie odcisków palców za pomocą ninhydryny, ślady krwi z
wykorzystaniem fluoresceiny itp.
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Fluorescencja: zastosowania
I farby fluorescencyjne: znaki drogowe, odblaskowe znaczki
I rozjaśniacze optyczne: środki do prania wzmacniające kolory (emisja w obszarze
niebieskim przeciwdziała żółknięciu tkanin)
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Fosforescencja
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Fosforescencja
I zjawisko (długotrwałego, powyżej 10−8 s) świecenia światłem własnym
wywołanym uprzednim naświetleniem z zewnątrz
I fosforescencję wykazują:
I
I
I
I
I
I
siarczki berylowców i cynku z domieszką aktywatorów, którymi są sole
metali ciężkich, jak np. miedzi, manganu, bizmutu, antymonu, talu itp
krzemiany z dodatkiem manganu lub lantanowców
wolframiany i molibdeniany berylowców
azotki boru i glinu
szkliwa z domieszką pewnych barwników fluorescencyjnych
szkliwo uzyskane przez stopienie mieszaniny cukrów (landrynki) z
rywanolem (mleczanem etakrydyny)
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Bioluminescencja
I występuje u wielu bakterii, protistów, grzybów, morskich jamochłonów, gąbek,
mięczaków (głównie głowonogów), skorupiaków, owadów, osłonic, ryb, świetlików
I GPF (Green Fluorescent Protein): pozyskana z świecących meduz,
wykorzystywana do znakowania innych naturalnie występujących białek np. w
celu ich lokalizacji w komórce (immunologia, embriologia: podminana fragmentu
nici DNA na GPF pozwala śledzić ekspresję genów)
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Bioluminescencja
I mechanizm: np. enzymatyczne utlenianie lucyferyny z udziałem lucyferazy
(świetliki) lub enzymatyczne utlenianie prostych aldehydów alifatycznych
(bakterie)
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Bioluminescencja
I sześć klas lucyferyn
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Bioluminescencja
I nawet 80-90% stworzeń z głębin morskich produkuje własne światło, aby:
I
I
I
kamuflaż (niewidoczne od spodu na tle szczątkowego światła z
powierzchni; niehomogeniczny rozkład luminescencji)
zwabić potencjalne jedzenie
komunikować się z osobnikami swojego gatunku
I głowonogi: mogą kontrolować kolor i kształt bioluminescencji dzięki komórkom
zawierającym pigmenty, których rozmiar mogą zmieniać dowolnie
I bakterie i glony (bruzdnice) wykazują bioluminescencję w wodzie morskiej
I organizmy wyższe mogą wykorzystywać do świecenia bakterie osiadłe na ich ciele
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Bioluminescencja
I fotofory: organy odpowiedzialne za świecenie
I rośliny wielokomórkowe, płazy, gady, ptaki i ssaki mogą świecić dzięki inżynierii
genetycznej (wszczepienie protein fluorescencyjnych) – świecąca po dotknięciu
gorczyca (1986)
I samoświecące drzewa zamiast latarni ulicznych
I świąteczna choinka bioluminescencyjna,
I rośliny świecące, gdy trzeba je podlać
I głębokomorskie rekiny: kombinacja hormonów i neuroprzekaźników
I melatonina odpowiedzialna za krótkie błyski (20-60 minut)
I prolaktyna odpowiedzialna za długie świecenie (kilka godzin)
I włosopodobne wyrostki na skórze – zwiększenie powierzchni bioluminescencyjnej
I różne gatunki – różny rozkład fotoforów na (spodniej) powierzchni ciała
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Bioluminescencja
I kształt i rozkład fotoforów (la) – specyficzny dla danego gatunku: identyfikacja
osobników tego samego gatunku
I świecące genitalia (ie) – sposób przyciągania osobników przeciwnej płci
(prokreacja w ciemności), ułatwienie kopulacji (pe)
I odstraszanie drapieżników (SAPS)
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Obrazowanie bioluminescencyjne
I tomografia: uzyskanie przekroju za pomocą np. rentgenowskiej tomografii
komputerowej (złożenie projekcji obiektu z różnych kierunków do uzyskania
obrazów przekrojowych 2D i 3D)
I tomografia bioluminescencyjna: wykorzystanie natywnej emisji światła jednego
z organizmów wykazujących bioluminescencję – świetliki, Renilla reniformis,
bakterie (Photorhabdus luminescens, Vibrio fischeri)
I DNA kodujące luminescencyjne białka jest wprowadzane do organizmu
zwierzęcia przez modyfikacje genetyczne
1. lucyferaza ze świetlika wymaga wstrzyknięcia D-lucyferyny do obiektu
przed rozpoczęciem obrazowania; fala emitowana: 560 nm; osłabienie
niebiesko-zielonego światła w komórkach wywołuje przesunięcie czerwone
emisji (duża czułość in vivo)
2. lucyferaza z Renilla reniformis wymaga wstrzyknięcia koelenterazyny; fala
emitowana: 480 nm
3. bakteryjna lucyferaza – fala emitowana: 480 nm
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Obrazowanie bioluminescencyjne
I zastosowania:
I
I
I
badania infekcji z bioluminescencyjnymi patogenami in vivo
badanie rozwoju nowotworów (wykorzystanie bioluminescencyjnej linii
komórek nowotworowych)
badanie kinetyki rekonstrukcji (wykorzystanie bioluminescencyjnych
komórek macierzystych)
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Optogenetyka
I technika neurobiologiczna polegająca na kontrolowaniu aktywności określonej
grupy neuronów za pomocą światła
I wrażliwość neuronów na światło wynika z wprowadzenia do nich sekwencji genu
kodującego światłoczułe białko z rodziny opsyn, np. na nośniku wirusowym
I białko światłoczułe wbudowuje się w błonę komórkową komórki nerwowej i pod
wpływem światła wywołuje jej pobudzenie lub zahamowanie
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Optogenetyka
I Francis Crick (1999): pierwsza sugestia wykorzystania światła do wybiórczej
kontroli aktywności neuronów
I 2002: pierwsze światłoczułe neurony z rodopsyną z Drosophila melanogaster –
bardzo skomplikowany układ
I 2005: prostszy układ z użyciem rodopsyny ChR2; metody optogenetyczne
zastosowane do kontroli aktywności motorycznej nicienia Caenorhabditis
elegans (prosty i dobrze poznany układ nerwowy, przezroczyste powłoki ciała)
I obecnie wykorzystanie do badań nad funkcjonowaniem połączeń nerwowych w
obrębie jąder podstawy, których zaburzenia związane są z chorobą Parkinsona
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Elektroluminescencja
I luminescencja w ciałach stałych i gazach pod wpływem przepływu prądu,
wyładowania elektrycznego, pola elektrycznego
I materiały elektroluminescencyjne: półprzewodniki
I mechanizm działania: promienista rekombinacja elektronów i dziur w
półprzewodniku; wzbudzone elektrony uwalniają energię w postaci światła
I zastosowania: wyświetlacze elektroluminescenyjne (oświetlenie paneli urządzeń
elektrycznych – półprzewodnikiem jest fosfor pomiędzy -przezroczystymipłytkami kondensatora, oddający fotony podczas ładowania)
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Dioda elektroluminescencyjna (LED, light-emitting diode)
I dioda zaliczana do półprzewodnikowych przyrządów optoelektronicznych,
emitujących promieniowanie w zakresie światła widzialnego
I 1962, Nick Holonyak Jr.
I radziecki technik radiowy Oleg Łosiew zauważył, że diody ostrzowe używane w
odbiornikach radiowych emitują światło, (1927–30 – 16 artykułów opisujących
działanie diod elektroluminescencyjnych)
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Dioda elektroluminescencyjna (LED, light-emitting diode)
I wytwarzanie z półprzewodników (pierwiastki III i V grupy), np. arsenek galu,
fosforek galu, arsenofosforek galu, o odpowiednim domieszkowaniu
Nazwa
arsenek galu
fosforek galu
fosforoarsenek galu
galoarsenek glinu
azotek galu
Materiał
GaAs
GaP
GaAs1-xPx
AlxGa1-xAs
GaN
Barwa
podczerwień
czerwona, zielona, żółta
czerwona, pomarańczowa, żółta
czerwona, podczerwień
niebieska, biała
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Dioda elektroluminescencyjna: Rodzaje i zastosowania
I IR – emitujące promieniowanie podczerwone – wykorzystywane w łączach
światłowodowych, a także w urządzeniach zdalnego sterowania.
I HBLED, High Brightness LED – diody o wysokiej jasności świecenia; za takie
uważa się diody, których jasność przekracza 0,2 cd; znajdują one zastosowanie w
miejscach, gdzie zwykle używa się tradycyjnych źródeł światła – w sygnalizacji
ulicznej, w oświetleniu pojazdów, w latarkach.
I RGB LED – dioda mająca struktury do generowania trzech podstawowych barw
(czerwony, zielony, niebieski), a co za tym idzie, przez możliwość ich mieszania,
praktycznie dowolnej barwy.
I RGBA LED – rozszerzenie struktury RGB o dodatkową diodę o kolorze
bursztynowym (ang. Amber) powiększającą osiągalną przestrzeń barw.
I RGBW LED – rozszerzenie struktury RGB o dodatkową diodę o kolorze białym
(ang. White). Przykładem diody RGBW jest dioda firmy CREE model MC-E
RGBW.
I Warm white LED – dioda generująca światło białe ciepłe (według normy PN-EN
12464-1 jest to temperatura barwowa poniżej 3300 K). Diody ciepłe mają
najbardziej zbliżoną temperaturę barwową do światła żarówki.
I Neutral white LED – dioda generująca światło białe neutralne (według normy
PN-EN 12464-1 jest to temperatura barwowa 3300–5300 K).
I Cool white LED – dioda generująca światło białe zimne (według normy PN-EN
12464-1 jest to temperatura barwowa powyżej 5300 K).
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Dioda elektroluminescencyjna: Rodzaje i zastosowania
I High Power LED lub Power LED – dioda wysokiej mocy, do poprawnej pracy
wymaga zapewnienia odpowiedniego chłodzenia i źródła prądowego do zasilania.
Białe diody tego typu mają najczęściej emiter wielkości kilku mm2 , jasność
80–200 lm przy prądzie 350 mA i pobieranej mocy około 1 W . Maksymalny
prąd podawany przez producentów to zazwyczaj 0,7–1,5A na 1 mm2 struktury
(maksymalny prąd zależy w głównej mierze od chłodzenia struktury świecącej
diody).
I Philips Lumileds Lighting Company (Luxeon K2, Luxeon Rebel),
I CREE (XR-C, XR-E, XP-C, XP-E, XP-G, MC-E),
I Seoul Semiconductors (SSC-P4, SSC-P7),
I Osram Opto Semiconductors GmbH (Ostar, Oslon),
I Luminus Devices (SST-50, SST-90),
I Nichia
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Dioda elektroluminescencyjna: Zastosowania
I lampa LED (”żarówka LED”): źródło światła oparte na diodach
elektroluminescencyjnych (LED), umieszczone w obudowie pozwalającej
zastosować je w oprawie oświetleniowej przeznaczonej dla żarówek
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Dioda elektroluminescencyjna: Zastosowania
I zalety:
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
znacznie większa trwałość (ok. 50 tys. godzin - przy korzystaniu przez
około 5h/dzień trwałość ok. 30 lat),
szerszy zakres napięć roboczych,
większa sprawność,
znacznie mniejsze nagrzewanie (małe straty energii!),
brak zależności temperatury barwowej światła od napięcia zasilającego,
w przypadku kontrolek dodatkowo możliwość uzyskania dowolnego koloru
świecenia bez użycia barwnych filtrów.
możliwość doboru dowolnej temperatury barwowej lampy LED
niewrażliwość na częste cykle włącz/wyłącz
niezwykle krótki (<1s) czas rozpalenia do jasności 100%
mały pobór prądu
małe rozmiary
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Dioda elektroluminescencyjna: Zastosowania
I wady:
I
I
I
cena (ale dobry zwrot inwestycji: krótszy nawet niż 1 rok, a oszczędności
osiągane na każdej wymienionej żarówce wynoszą np. około 40 zł/rok w
przypadku żarówki 50-watowej i odpowiednio ok. 80 zł/rok dla
100-watowe)
różnorodna charakterystyka widmowa w porównaniu do żarówki
wolframowej lub halogenowej (’ciepła’ lub ’zimna’ barwa)
problemy zdrowotne: 2012, Uniwersytet Compultense – bezpośrednie
patrzenie w światło emitowane przez lampy LED może spowodować
nieodwracalne zmiany w siatkówce, przy czym badanie dotyczy
długotrwałego patrzenia na ekrany telewizorów, telefonów komórkowych,
komputerów wyposażonych w monitory LED itp. a nie dotyczy oświetlenia
LED
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Organiczna dioda elektroluminescencyjna (OLED)
I diody LED wytwarzane ze związków organicznych (oraz klasa wyświetlaczy)
I prosta metoda produkcji: nadrukowanie warstwy organicznej z pikseli-diod w
trzech kolorach na płytę bazową
I warstwa pośrednia pomiędzy płytą bazową a emiterem podnosi sprawność i
jasność ekranu
I ekran OLED nie wymaga podświetlania, bo wydziela światło bezpośrednio ⇒
najlepszy współczynnik kontrastu, prawdziwa czerń
I możliwe uzyskanie przezroczystego wyświetlacza i zakrzywienia powierzchni
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Organiczna dioda elektroluminescencyjna (OLED)
I budowa OLED: warstwa emisyjna, warstwa przewodząca, anoda, katoda, podłoże
I warstwy zbudowane z polimerów przewodzących (półprzewodniki organiczne)
I przyłożenie napięcia −→ przepływ elektronów od katody do anody: katoda
podaje elektrony do warstwy emisyjnej (ładunek ujemny warstwy), a anoda
pobiera elektrony z warstwy przewodzącej (podaje dziury do warstwy
przewodzącej; ładunek dodatni warstwy)
I rekombinacja elektronów i dziur prowadzi do emisji promieniowania widzialnego
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Organiczna dioda elektroluminescencyjna (OLED)
I anoda: przezroczysty roztwór stały tlenku indu (III) i tlenku cyny (IV) o wysokiej
pracy wyjścia (sprzyja przemieszczaniu dziur do warstwy polimerowej)
I katoda: bar, wapń – metale o niskiej pracy wyjścia, chętne do oddawania
elektronów na orbital LUMO warstwy organicznej (zwykle reaktywne, więc
wymagają pokrycia z glinu, aby uniknąć degradacji)
I typowa warstwa przewodząca: PEDOT:PSS (poly(3,4-ethylenedioxythiophene)
polystyrene sulfonate)
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Warstwa emisyjna OLED
I małe cząsteczki: organometaliczne chelaty (Alq3 ), barwniki fluorescencyjne
(perylen, rubren, chinoakrydon) i fosforescencyjne, sprzężone dendrymery
I przewodzące polimery elektroluminescencyjne, np. polifenylenowinylen,
polifluoren (podstawienie zmienia rozpuszczalność oraz barwę emitowanego
światła)
I materiały fosforescencyjne wykorzystują elektrofluoresencję do konwersji energii
elektrycznej w OLED na światło z dużą wydajnością, np. poli(N-winylokarbazol)
z kompleksem irydu, np. Ir(mppy)3
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Organiczna dioda elektroluminescencyjna (OLED)
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Mechanoluminescencja
I luminescencja wynikająca z działania czynnika mechanicznego:
I
I
I
sonoluminescencja: emisja światła pod wpływem ultradźwięków (1934:
pierwsza obserwacja; 1989: obserwacja sonoluminescencji pojedynczej
bańki gazu przez wytworzenie fali stojącej w naczyniu doświadczalnym)
piezoluminescencja: emisja światła wskutek deformacji kryształów (NaCl,
KCl, KBr, LSD – dietyloamid kwasu D-lizergowego)
tryboluminescencja: emisja światła wskutek deformacji mechanicznej ciała
(ścieranie, łamanie, pękanie)
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Tryboluminescencja
I rozważane dwa mechanizmy:
I
I
emisja światła przez wyładowanie ładunku elektrycznego podobnie jak
przy burzy −→ etapy:
I separacja ładunku elektrycznego w szczelinach tworzonych przez
mechaniczną deformacje
I przejście ładunku elektrycznego w powietrzu znajdującego się w
szczelinie, co powoduje wzbudzenie cząsteczek azotu z powietrza
I emisja światła przez azot (w cieczy brak efektu tryboluminescencji –
niezbędna obecność powietrza)
tryboluminescencja emisyjna: transformacja energii zgromadzonej w
samym krysztale −→ proponowane mechanizmy:
I wyładowanie w powietrzu i wpływ promieniowania ultrafioletowego
(w gazie) na wzbudzenie świetlne deformowanego materiału
I bezpośrednie oddziaływanie elektronów (wyładowanie) na
deformowany materiał
I oddawanie energii świetlnej bez konieczności przywoływania
mechanizmu wyładowania (powodowane przez samą deformację
materiału)
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Tryboluminescencja sacharozy
I rozbijanie cukru w kostkach pozwala zaobserwować niebiesko-zielone rozbłyski
(tylko w całkowitej ciemności)
I cukierki wint o’green rozgryzane w ciemności świecą niebieskim światłem
I sensybilizacja za pomocą salicylanu metylu (olejek przęślowy): tak nasączona
sacharoza świeci silniej, a światło jest wyraźnie niebieskie (salicylan pochłania
powstające światło ultrafioletowe powstające obok widzialnego, po czym oddaje
zgromadzoną energię w postaci promieniowania widzialnego o większej długości
fali – fotoluminescencja)
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Tryboluminescencja
I niektóre rodzaje taśm samoprzylepnych i kopert z samoprzylepnym paskiem
podczas rozklejania emitują nikłe niebieskawe światło
I źródłem nanosekundowych błysków promieniowania rentgenowskiego jest
rozwijana w próżni standardowa taśma klejąca – promieniowanie z taśmy jest
wystarczająco silne do wykonania zdjęcia rentgenowskiego (Nature 2008, 455,
1089-1092)
I diament wykazuje tryboluminescencję podczas pocierania
I dwa kryształy kwarcu pocierane o siebie w ciemnym pomieszczeniu wykazują
tryboluminescencję
I bladożółte kryształki [Cu(NCS)(py)2 (PPh3 )] wykazują tryboluminescencję
podczas rozcierania szpatułką na ściankach probówki (a także fluorescencję pod
wpływem światła UV)
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Termoluminescencja
I luminescencja substancji (półprzewodnika) wywołana po absorbcji
promieniowania elektromagnetycznego przez ogrzewanie
I fosfor krystaliczny, minerały (np. fluoryt), skały wulkaniczne (Hawaje), szkła,
monokryształy tlenkowe
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Termoluminescencja materiałów geologicznych
I Robert Boyle (1627-1691): wystawienie diamentów na promieniowanie
słoneczne, a następnie obserwacja ich świecenia po ogrzaniu od ciepłych części
ciała
I Edward Charles Howard (1774-1816): ogrzanie meteorytu z Benares (Indie) i
obserwacja jego świecenia
I Alexander Herschel (1836-1907): rozpylenie pyłu z meteorytu z Middlesbrough
(Yorkshire) na gorącą płytę i obserwacja błysków (Nature)
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Termoluminescencja materiałów geologicznych: zastosowania
I określanie ilości promieniowania w środowisku/kosmosie
I datowanie odkryć archeologicznych (obok metod radiologicznych opartych na
izotopach węgla – datowania radiowęglowego)
I datowanie skał wulkanicznych (?): datowanie radiowęglowe do wybuchów
sprzed 40 000 lat, datowanie izotopowe z 40 K i 40 Ar – od milionów do miliardów
lat temu ⇒ czy TL wypełni przerwę od 40 000 do miliona lat wstecz?
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Datowanie izotopowe: Rozpad promieniotwórczy
I metody datowania próbek oparte na zjawisku rozpadu promieniotwórczego
(geologia, archeologia)
I rozpad promieniotwórczy: rozszczepienie jądra atomowego polegające na jego
rozpadzie na fragmenty o zbliżonych masach, z towarzyszącą emisją
nadmiarowych neutronów i kwantów γ
I rozpad samoistny i wymuszony, wskutek zderzenia z neutronami, protonami,
kwantami γ itp.
I rozszczepienie samorzutne −→ datowanie
I zwykle rozszczepienie wymuszone
bombardowaniem neutronami
I przekrój czynny na rozszczepienie zależy od
rodzaju jądra i energii neutronów
I reakcje silnie egzoenergetyczne dla jąder ciężkich
pierwiastków (233 U,
235 U, 239 Pu)
I rozpad jednego jądra generuje energię kinetyczną
produktów rozpadu rzędu 200 MeV
I rozpad wszystkich jąder w 1 kg 235 U: 80 TJ –
92
równoważne eksplozji 19 kt trotylu
235
92 U
Anna Kaczmarek-Kędziera
140
1
+10 n →93
36 Kr +56 Ba + 30 n
Chemia koloru
(1)
Luminescencja
Broń jądrowa
I pojedynczy akt rozszczepienia jądra atomowego może indukować reakcję
łańcuchową (reaktor jądrowy, bomba atomowa)
I reakcja przebiega łańcuchowo po przekroczeniu masy krytycznej próbki
I przekroczenie masy krytycznej w ładunku za pomocą konwencjonalnych środków
wybuchowych:
I
I
metoda działa dla 235 U
metoda implozji dla 239 Pu
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Datowanie izotopowe
I oparte na określeniu proporcji pomiędzy pierwotną zawartością danego izotopu
promieniotwórczego a obecną zawartością tego izotopu w próbce
I proporcja ta zależy od czasu rozpadu
I warunek: utrzymanie układu zamkniętego → pierwotna zawartość izotopu to
suma nierozpadniętego izotopu oraz produktów jego rozpadu
I datowanie radiowęglowe: proporcja pomiędzy izotopem promieniotwórczym
węgla
14 C
a izotopami trwałymi
12 C
Anna Kaczmarek-Kędziera
i
13 C
Chemia koloru
Luminescencja
Datowanie radiowęglowe
I w górnych warstwach atmosfery
14
1
n +14
7 N →6 C +1 H
(2)
I węgiel 14 C rozchodzi się w atmosferze i przez fotosyntezę przechodzi do materii
6
organicznej
I dla organizmu żywego proporcja węgla radioaktywnego do trwałego jest
zbliżona, jak w atmosferze
I kiedy organizm umiera, wymiana
przestaje zachodzić, a
rozpada się:
14
6 C
14 C
6
−
→14
7 N + e + ν̄e
(3)
I zawartość 14 C spada o połowę co
6
5740 lat (okres połowicznego
rozpadu)
I dla próbek starszych niż ok. 60
000 lat – zbyt mało
duży błąd pomiaru
14 C
6
⇒ zbyt
I problem: zmienna w czasie
zlodowaceń całkowita ilość CO2 w
atmosferze
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Datowanie metodą termoluminescencyjną
I stosowana od lat 50. XX. wieku, precyzyjniej od lat 70.
I natężenie termoluminescencji rośnie wraz z energią pochłoniętego
promieniowania wzbudzającego
I metoda zakłada termiczne wyzerowanie materiału: ogrzanie lub oświetlenie
promieniowaniem, które uwalnia wszystkie elektrony z pułapek (sygnał
termoluminescencyjny równy 0)
I problem: znaczny błąd, do 15%; kryterium termicznego wyzerowania spełniają w
zasadzie tylko osady wulkaniczne
I zerowanie zapewnia ogrzanie lawy
lub wypalanie ceramiki
I najpierw pomiar dawki
akumulowanej rocznie np. przez
pomiar promieniowania α (He2+ ,
dla zawartego toru i uranu) oraz
promieniowania β i γ (zawartość
40 K)
I Prof. Hubert Oczkowski (†)
I UMK: datowanie cegieł, z których
budowano zamek z Malborku i
kościół św. Jakuba w Toruniu
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Datowanie metodą optyczną
I pierwiastki promieniotwórcze jonizują sąsiednie atomy i powodują wyzwalanie
wolnych elektronów, więzionych w strukturze krystalicznej minerałów
I elektrony zostają uwolnione pod wpływem bodźca zewnętrznego (światła, ciepła)
I optycznie stymulowana luminescencja (OSL): stymulacja termiczna TL zostaje
zastąpiona stymulacją optyczną
I zaleta: ten sam czynnik wykorzystany do zerowania i stymulacji (światło), dzięki
czemu założenia metodologiczne OSL bliższe warunkom naturalnym dla osadów
geologicznych (światło dzienne podczas transportu)
I protokoły pomiarowe OSL mniej podatne na zaburzenia, zmiany czułości
I niepewność do kilkunastu procent
I czy uniknie problemów datowania TL?
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Datowanie
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Radioluminescencja
I światło produkowane w materiale poprzez bombardowanie go promieniowaniem
jonizującym (cząstki β: strumień elektronów lub pozytonów poruszających się z
prędkością porównywalną do prędkości światła)
I zastosowanie: delikatne oświetlenie nocne instrumentów lub oznaczeń (długa
produkcja światła bez dostarczania energii)
I mechanizm: cząstka promieniowania jonizującego pobudza elektron, który
następnie emitując foton (zwykle z zakresu UV), powraca do stanu
podstawowego
I substancja radioaktywna zwykle mieszana z fosforem, który emituje światło
widzialne
I tryt: jedyny radioizotop dopuszczony do użytku komercyjnego
jako źródło radioluminescencyjne (zegarki, broń, znaki wyjścia
ewakuacyjnego) → cząstki β o niskiej energii (5.7 keV) nie
przechodzą przez rurkę szklaną i nie penetrują skóry ludzkiej
I tryt zamknięty w małych rurkach szklanych, wewnątrz pokrytych
fosforem
I cząstki β emitowane przez tryt, padają na fosfor i wywołują jego
fluorescencję w kolorze żółto-zielonym
I czas półrozpadu: 12.3 roku – redukcja jasności
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Radioluminescencja
I historycznie: siarczek cynku ZnS domieszkowany miedzią (niebiesko-zielone
światło), manganem i miedzią (żółto-pomarańczowe) ⇒ degradacja ZnS
powoduje spadek jasności materiału radioluminescencyjnego
I ”Radium Girls”: pracownice fabryki United States Radium Corporation malujące
tarcze zegarków farbą z radem (lata 20. XX) → choroby zawodowe
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Chemoluminescencja
I zjawisko emisji fal świetlnych wytworzonych w wyniku reakcji chemicznych
I różnica w stosunku do fluorescencji i fosforescencji: stan wzbudzony powstaje w
wyniku reakcji chemicznej, a nie prostej absorpcji fotonu
I chemoluminescencja jest antytezą reakcji fotochemicznej: tam niezbędne do
zajścia reakcji endotermicznej jest światło; tu – światło jest generowane w
wyniku egzotermicznej reakcji chemicznej
I np. utlenianie fosforu białego, reakcja lucyferyny z lucyferazą
I reakcja luminolu z nadtlenkiem wodoru
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru
Luminescencja
Chemoluminescencja: Zastosowania
I chemoluminescencja w organizmach żywych: bioluminescencja
I analiza gazów do wykrywania małych ilości zanieczyszczeń w powietrzu
I analiza reakcji organicznych, zwłaszcza enzymatycznych, gdzie substrat nie jest
zaangażowany w reakcję chemoluminescencyjną, a produkt tak
I oświetlanie obiektów, oświetlanie wyjść awaryjnych, glow sticks, latawce
chemoluminescencyjne, zabawki dla dzieci
I kryminalistyka: luminol do wykrywania śladów krwi (żelazo z krwi katalizuje
reakcję luminolu z H2 O2 dając niebieskie światło przez 30 sekund)
I wady luminolu: jego chemiluminescencja katalizowana także przez miedź i
niektóre wybielacze, sos chrzanowy (peroksydaza chrzanowa), ślady krwi obecne
w moczu (np. zwierzęcym), fekalia, obecność dymu papierosowego w dużym
natężeniu
Anna Kaczmarek-Kędziera
Chemia koloru