Флуоресценция представляет собой процесс испускания света веществом, поглотившим фотон с большей энергией. Основным условием её возникновения является наличие молекулы с электронами, способными переходить в возбужденное состояние и затем возвращаться в основное с излучением фотона. Энергетические уровни молекул определяют длину волны поглощения и испускания, а также эффективность флуоресценции.
Эффективность флуоресценции описывается квантовым выходом — отношением числа испущенных фотонов к числу поглощённых. Этот параметр зависит от конкурентных процессов, ведущих к деактивации возбужденного состояния без излучения, называемых безызлучательными процессами деактивации.
Внутримолекулярная конверсия представляет собой переход электрона между близкими по энергии электронными состояниями одной молекулы с последующим перераспределением энергии на колебательные моды. Этот процесс не сопровождается испусканием фотона и приводит к быстрому тепловому рассеянию энергии. Скорость конверсии зависит от плотности колебательных уровней и внутримолекулярного сопряжения, а также от разницы энергий между состояниями.
Энергия возбуждения может перераспределяться внутри молекулы за счёт колебательных и вращательных мод. Колебательные переходы происходят через виртуальные состояния и приводят к постепенному увеличению внутренней энергии молекулы без испускания света. Эти процессы особенно эффективны в полярных и протонно-активных средах, где вибрационные уровни могут эффективно взаимодействовать с растворителем.
Полярные молекулы растворителя способны поглощать энергию возбужденного состояния флуорофора через диполь-дипольные взаимодействия или перенос энергии на вибрационные моды. Этот механизм проявляется как солвентная затухающая флуоресценция, часто приводящая к сильному уменьшению квантового выхода. Эффект усиливается при высокой полярности среды и при наличии протонно-активных групп.
FRET — процесс безызлучательного переноса энергии от возбужденного донора к акцептору на расстоянии нескольких нанометров. Эффективность FRET определяется спектральным перекрытием излучения донора и поглощения акцептора, а также ориентацией и расстоянием между молекулами. Этот механизм широко используется для изучения пространственной организации биомолекул.
Безызлучательная деактивация может происходить через коллизионное столкновение с другими молекулами, способными принимать энергию возбуждения. Это явление известно как динамическое квенчинг, и оно обратно пропорционально времени жизни возбужденного состояния. Характерными примерами являются взаимодействия с кислородом, йодид-анионами или тяжёлыми атомами.
Молекулярная структура оказывает ключевое влияние на конкуренцию между флуоресценцией и безызлучательной деактивацией:
Безызлучательные процессы определяют эффективность и стабильность флуорофоров в аналитической химии, биохимии и материаловедении. Они играют ключевую роль в разработке сенсоров, флуоресцентных меток и органических светодиодов. Управление этими процессами через химическую модификацию молекул и выбор среды позволяет оптимизировать свойства флуоресцентных материалов.