2. Характеристики и законы люминесценции.

Основными характеристиками люминесценции являются:

1. Спектр люминесценции – это зависимость интенсивности люминесценции от длины волны излучаемого света.

2. Длительность люминесценции  – как уже отмечалось, это время, за которое интенсивность люминесценции уменьшается в е = 2,7 раз.

3. Квантовый выход люминесценции γ - это отношение числа квантов люминесценции к количеству квантов, поглощенных при возбуждении молекулы: γ = n_люм/n_погл . Квантовый выход всегда меньше единицы (γ < 1) из-за наличия неоптических переходов. Вещество считается хорошо люминесцирующим, если его квантовый выход γ > 0,01, т.е. если γ > 1%.

4. Спектр возбуждения – это зависимость интенсивности вызывающего люминесценцию света от длины волны возбуждающего излучения (для многих молекул он совпадает с их спектром поглощения).

Укажем здесь лишь два основных закона люминесценции:

1. Закон Стокса: Спектр люминесценции вещества всегда смещен в область более длинных волн относительно спектра поглощенного излучения (рис. 2).

Квантовая теория излучения дает следующее объяснение этому закону: поглотив квант излучения hν и перейдя в возбужденное состояние, молекула (атом, ион) может потерять часть полученной энергии, передав ее другим молекулам в процессе теплового движения, а оставшаяся энергия излучается в виде кванта люминесценции hν_люм . Если потерянную молекулой энергию обозначить А, то hν_люм= hν –А. Следовательно, частота люминесцентного излучения меньше частоты поглощенного, а длина волны соответственно больше.

Рис. 2 Иллюстрация закона Стокса

2. Закон Вавилова: Квантовый выход и спектр люминесценции сложных молекул не зависят от длины волны возбуждения.

Основное требование к спектральному диапазону волн, используемому для возбуждения люминесценции: он должен попадать внутрь полосы поглощения этого вещества.

Каждое люминесцирующее вещество имеет свой индивидуальный спектр люминесценции, что используется при исследовании структуры веществ с помощью люминесцентного анализа. По спектру люминесценции можно определить как вид, так и концентрацию люминесцирующего вещества. Люминесцентный анализ чувствительнее абсорбционного (по спектрам поглощения) спектрального анализа более чем в 1000 раз. Так, он позволяет определить наличие люминесцирующего вещества в смеси при ничтожно малых концентрациях: до 10 ^{– 12} г/л при квантовом выходе всего около одного процента.

3. Люминесцентный анализ в стоматологии

Весьма перспективным методом диагностики кариеса является метод лазерно-индуцированной флуоресценции. Данный метод основан на анализе спектров флуоресценции зубной эмали и дентина.

Спектры флуоресценции эмали и дентина обычно получают при длинах волн возбуждения в УФ и коротковолновом видимом спектральных диапазонах. Обычно при флуоресцентной диагностике кариеса используется аргон-неоновый лазер с длинами волн =488 и 514 нм и азотный лазер с =337 нм. Недавно предложено использовать также диодный источник света с длиной волны =440 нм.

Спектр флуоресценции зубной эмали (длина волны возбуждения =337 нм) представляет собой широкую полосу с основным максимумом при 490 и дополнительным меньшей интенсивности – при 440 нм (Рис.3). В спектре флуоресценции дентина также имеется максимум излучения при 490 нм, однако амплитуда этого пика в 1,5-2 раза больше по сравнению со спектром эмали. Кроме этого для спектра флуоресценции дентина характерно наличие максимума излучения при 440 нм, сравнимого по амплитуде с максимумом при 490 нм.

1

2

Рис. 3 Сравнение спектров флуоресценции эмали (1) и дентина (2) здорового зуба

Спектр здорового зуба похож на спектр эмали. В случае кариеса (деминерализации зуба) в спектре флуоресценции зубной эмали наблюдаются характерные отличия (Рис. 4).

Рис. 4 Сравнение спектров флуоресценции здорового зуба (1) и при различных стадиях кариеса (2-6): 5 – средний кариес, 6 – глубокий кариес. Интенсивность флуоресценции уменьшается с увеличением степени кариеса.

С увеличением степени кариеса интенсивность флуоресценции уменьшается во всем спектральном диапазоне. Однако при этом наблюдается увеличение относительной амплитуды пика при 440 нм по сравнению с основным максимумом при 490 нм.

Увеличение относительной интенсивности пика при 440 нм связано с проникновением бактерий вглубь зуба, разрушением структуры эмали и проявлением флуоресценции, обусловленной дентином. В результате с увеличением степени деминерализации спектр флуоресценции зуба по форме приближается к спектру дентина.

При использовании излучения от светодиодного источника с =440 нм в спектре флуоресценции кариозного зуба обнаружено появление широкой полосы в красном диапазоне длин волн с максимумом при 680 нм. По мере увеличения степени кариеса интенсивность данной полосы увеличивается, что может быть использовано в диагностических целях.

На рисунке 5 представлены спектры флуоресценции кариозной полости зуба до (1) и после (2) ее механической обработки.

Рис. 5

Существенное увеличение интенсивности флуоресценции при кариозном процессе вызвано присутствием бактерий, которые люминесцируют. Их количество увеличивается по мере углубления кариозного процесса и интенсивность флуоресценции растет.

Ряд биообъектов не обладают собственной люминесценцией или ее интенсивность мала. В этом случае используют специальные вещества (флуоресцентные метки или зонды), которые связываясь с биообъектом, образуют люминесцирующий комплекс. Самой распространенной флуоресцентной меткой является флуоресцеин. Через несколько секунд после введения 1-2 мл 10-15% водного раствора флуоресцеина ярко-зеленую флуоресценцию можно наблюдать в глазу, на зубах, слизистой оболочки полости рта и т.д. Флуоресцеин безвреден и выводится из здорового организма за 50-70 часов. Флуоресцеиновую метку используют, например, при: 1) для определения факта восстановления кровообращения после пересадки тканей, 2) для определения границ опухоли при проведении онкологических операций. Последнее основано на том, что злокачественные опухоли способны накапливать флуоресцеин.