Fluorescence

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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. Fluorescence et phosphorescence sont deux formes différentes de luminescence. 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.

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, voire parfois plus petite (absorption à deux photons). 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, notamment l'émission de rayons X (fluorescence X).

Histoire

• 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.^{[réf. nécessaire]}
• Ce procédé fut retrouvé par hasard^{[n 1]} par le cordonnier et alchimiste bolognais Vincenzo Cascariolo (1571-1624) en 1603^[1],[2]

• Le terme dérive du minéral fluorite qui a la particularité de présenter très fréquemment une fluorescence, mais aussi une triboluminescence, voire une thermoluminescence, sans être phosphorescente.
• C'est Stokes qui invente le mot fluorescence en 1852^[3]. Il publie dans Philosophical Transactions of the Royal Society ses observations sur un phénomène qu'il propose de nommer fluorescence^{[n 2]} (à la place de réflexion dispersive^[5]), dans un article intitulé On the change of refrangibility of light^[6]. Le terme est introduit en 1853^[7],[8].

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  Fluorite
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  Adamite fluorescence verte et hémimorphite fluorescence bleu pâle
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  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, charoïte, colémanite, corindon, cristobalite, cryolite, danburite, datolite, diaspore, diopside, disthène, dolomite, épidote, érythrite, fluorite, fluorapatite, gypse, halite, haüyne, hémimorphite, heulandite, jadéite, laumontite, lussatite, manganaxinite, magnésio-axinite, magnésite, mélanophlogite, mellite, microcline natrolite, okénite, oligoclase, opale, pectolite, périclase, phlogopite, phosgenite, prehnite, quartz, rhodonite, scheelite, scolécite, smithsonite, sodalite, sphalérite, spinelle, spodumène, strontianite, thénardite, topaze, torbernite, trémolite, tridymite, uvarovite, variscite, wollastonite, wulfénite, zoïsite.

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  Divers minéraux fluorescents

Dans le monde vivant

De nombreux cas de fluorescence s'observent dans la nature, ils sont généralement visibles sous lumière UV. De tels cas sont connus, entre autres, chez des champignons, des fruits comme les bananes, des végétaux contenant de la quinine comme Cinchona officinalis, des arthropodes comme les scorpions, des mammifères comme les Didelphidae^[9]...

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  Champignon fluorescent

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  sous UVA

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  Un scorpion sous lumière Ultraviolette apparaissant noir en lumière normale.

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  La quinine contenue dans certaines boissons gazeuses leur donne une fluorescence visible sous rayonnement ultraviolet.

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  Bananes sous lumière du jour et sous UV^[1].

1. (en) Simone Moser en all, « Fluorescent chlorophyll catabolites in bananas light up blue halos of cell death », sur pnas.org,‎ juillet 2009

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 caractéristique pendant laquelle la molécule reste à l'état excité avant de retourner à son état basal (picoseconde). Cette durée est assimilable à la demi-vie de l'état excité.
• 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) ou de FLIP (Perte de fluorescence au cours d'un photoblanchiment local).

Applications quotidiennes

Applications diverses

Beaux-arts : lumière noire et substances fluorescentes.

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 vêtements à haute visibilité et 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 avec les rayons X

• elle permet de convertir les rayons en lumière visible pour l'œil ou un capteur CCD, pour de l'imagerie, ou bien pour un photomultiplicateur (scintillateur utilisé en diffractométrie X ou en spectrométrie de fluorescence X) ;
• elle permet de caractériser les matériaux, en spectrométrie de fluorescence X.

Les surligneurs déposent sur le papier une encre fluorescente visible et résistante à la lumière sans pour autant masquer le texte lui-même.

La technique de détection du Mercure ou du Plomb par des fluoroionophores sélectifs est aussi une application de la fluorescence.

Tube fluorescent

Le tube fluorescent (nom officiel: tube luminescent) est une autre application bien connue. Ces tubes servent surtout à l'éclairage industriel et parfois domestique (appelés « néons » par erreur: car le gaz néon émet une lumière rouge). Ils contiennent des gaz, le plus souvent des vapeurs de mercure à basse pression ou de l'argon, qui émettent une lumière ultraviolette invisible lorsqu'ils sont ionisés. La paroi intérieure est recouverte d'un mélange de poudres fluorescentes, qui transforme cette lumière dans le domaine visible en s'approchant du blanc. Ces tubes offrent un bien meilleur rendement électrique qu'une lampe à incandescence classique, c'est-à-dire qu'ils émettent plus de lumens par watt consommé et, donc chauffent beaucoup moins. Aujourd'hui, la forme peut changer et l'électronique qui les contrôle permet un rendement encore amélioré. On trouve ainsi des lampes dites à économie d'énergie remplaçant avantageusement les lampes à incandescence classiques (toutefois leur recyclage en fin de vie est complexe et coûteux).

Utilisation

La chlorophylle a (comme tous les pigments) est fluorescente. La mesure de la fluorescence de la chlorophylle a (émise par une plante ou un organisme photosynthétique en général) est un puissant outil pour mesurer l'absorption de la lumière et le fonctionnement de la photosynthèse.

Certains bioessai, comme le Luminotox, utilisent la fluorescence photosynthétique comme une mesure indirecte de la toxicité sur un organisme photosynthétique. La baisse de fluorescence de la chlorophylle a étant un signe de la baisse de la photosynthèse et donc de l'effet d'un polluant sur l'organisme.

Notes et références

Note

Références

Annexes

Articles connexes

• Hybridation fluorescente in-situ
• Interaction rayonnement-matière
• Luminescence
• Phosphorescence
• Sonde de biologie moléculaire

Liens externes

• (en) Exemple de fluoromètre Portatif (de chez PSI)
• (en) Firefly plants that glow under stress
• (en) Removal of a cryptic intron and subcellular localization of green fluorescent protein are required to mark transgenic Arabidopsis plants brightly.
• (en) Day-Glo Flowers: Some bright blooms naturally fluoresce
• (en) Plants & Animals - Glowing in the Dark (Bioluminescent)
• (en) Fluorophores.org The database of fluorescent dyes
• (en) Techniques pour l'observation de la fluorescence des organismes marines

• (en,de) Histoire et recherche scientifique sur la signification biologique de la bio-fluorescence marine

• (fr) Liste des minéraux fluorescents avec indication des activateurs et spectres de fluorescence

Bibliographie

• Levaillant M (1923) Fluorescence et photochimie. Compt. rend. Acad. d. sc, 177, 398..
• Perrin F (1926) Polarisation de la lumière de fluorescence. Vie moyenne des molécules dans l’état excité. J. phys. radium, 7(12), 390-401.
• Sheppard CJR & Gu M (1990) Image formation in two-photon fluorescence microscopy. Optik, 86(3), 104-106.
• Lakowicz JR (2007). Principles of fluorescence spectroscopy. Springer (Plan) et extraits).
• Guilbault GG (1990) Practical fluorescence (Vol. 3). CRC Press.
• Reynaud S (1983) La fluorescence de résonance: étude par la méthode de l'atome habillé. In Annales de physique (Vol. 8, No. 4, pp. 315-370). EDP Sciences.
• Kooten O & Snel JF (1990) The use of chlorophyll fluorescence nomenclature in plant stress physiology. Photosynthesis Research, 25(3), 147-150 (résumé).
• Pinkel D, Straume T & Gray JW (1986) Cytogenetic analysis using quantitative, high-sensitivity, fluorescence hybridization. Proceedings of the National Academy of Sciences, 83(9), 2934-2938.
• Maxwell K & Johnson GN (2000) Chlorophyll fluorescence—a practical guide. Journal of experimental botany, 51(345), 659-668 (résumé).

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