偏光蛍光のことについて教えていただきたいのですが・・・


特に、偏光度に関して解りません。


どなたか、宜しくお願いします。

A 回答 (4件)

通常、蛍光分子が細長いと、励起光の偏光方向に対応した吸収異方性が発現して、発光の偏光成分にも異方性が出る傾向がありますよね。


偏光度は楕円を考えれば、わかりよいかと思います。
偏光度0は真円になります。
0<偏光度<1では楕円
偏光度1では直線です。
偏光度0.5では長軸は短軸の3倍の大きさの楕円ということになります。

蛍光分子の配向度が大きくなれば、確かに偏光度も大きくなると考えます。
電圧を印加して偏光度が小さくなったのなら、考えられる理由としては、
イオン成分による乱流の発生で蛍光分子の配向度が低下する、
電圧印加で電流が流れれば温度が上昇し、分子運動が激しくなり配向度が低下する、
などの可能性があると思われます。
また、上記の影響は測定セルの形状等にもよりますので、検討なさってください。
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  まず、貴方が何の実験をしているか、そんなことは記して戴かないと分かる訳がありませんし、またわたしは「一般人」と書いているように、一般人です。一応実験されているというからには、貴方が「専門家」ではありませんか。このサイトの物理や天文の質問は、小中学生も質問していることがあるので、どんな人が、どんな目的で質問しているのか分からない以上、一般人としては、分かる説明しか書けませんし、分かるように書かないと、分からないではありませんか(わたしは、蛍光偏光度の説明をしただけです)。
 
  それはとまれ、わたしが参照にしたページでは、「偏光度測定装置」の原理説明が記されていたのであり、装置は、単色光の「垂直偏光」成分をターゲットの蛍光分子を含む溶液に放射し、それによる分子の励起の結果としての「蛍光」を、垂直と水平の二つの偏光成分で検出するというものでした。
 
  偏光度P=(垂直強度-水平強度)/(垂直強度+水平強度)
 
  このような式で定義されていました。定常状態の時、分子は回転運動がないので、Pは1になり、分子がブラウン運動すると、水平成分が回転運動によって発生するので、Pは減少するというのが原理説明です。
 
  しかし、ブラウン運動だけの回転運動ではないはずだと思うのです。電場をインプレスすることで、分子を配向させようというなら、分子は、双極子であり、理屈から言えば、インプレス電圧が大きくなれば、ブラウン運動は抑制され、相対的に分子の回転運動は減り(または、一定方向に規制され)、水平成分は減って、Pは大きくなるはずです。しかし、減少して行くとすれば、それは電場のインプレスで、水平成分が生み出されているということになるでしょう。
 
  電場を印加しない状態でもPの値は1ではないはずです。ブラウン運動より前に、温度があれば、分子は振動運動しているはずで(これもブラウン運動ですね)、双極子であれば、分子の温度による振動は、双極子モメントになり、回転が生じるはずだと思えます。電場のインプレスは、分子つまり双極子を整列(配向)させるはずで、しかし、それは、温度振動による回転モメントを消すという訳ではないでしょう。
 
  温度振動による回転モメントの発生というのは、温度振動によって、分子が、ある方向で、直線運動するのでなく、別の分子の双極子との関係から、回転運動の振動を行うという話です(根拠がありませんが、そう考えたのです)。電場をインプレスすれば、双極子は、一定方向に整列されるでしょう。しかし、整列されることにより、回転運動は、より整然としたものとなり、結果、回転モメントは大きくなり、偏光は拡散され、偏光度は小さくなって行くという可能性がないでしょうか。
 
  あるいは、ブラウン運動だけの場合でも、分子の回転運動は、入射偏光の偏光面と垂直な成分と平行な成分に分けることができ、蛍光偏光度測定器で測定する有効な値は、実は、垂直成分運動だけで……つまり、入射光の垂直平面と同じ平面での運動は、放射蛍光の偏光面も、それと同じ平面なので、事実上測定にかからないのです。(ここで言っている垂直成分と平行成分は、出力蛍光の垂直と水平の偏光成分ではなく、分子の回転運動の運動成分のことです)……偏光度測定装置の偏光の入射方向(及び検出方向)と、印加電場の方向の組み合わせによっては、分子の整列(配向)によって、元々ランダムな場合、平行成分であった回転運動の要素が、垂直成分へと切り替えられ、その結果、見かけ上、偏光度が小さくなるということはないでしょうか。(つまり、入射偏光の偏光面と同じ平面での分子の回転運動成分は、偏光度装置では検出されないのです。分子の整列で、この平行運動要素が、方向を変えられて、垂直運動要素となれば、この増えた分だけ、偏光は拡散し、その結果、偏光度が小さくなるということです。最初、電圧を加える前は、分子はランダムに並んでいたので、平行要素がかなりあったのが、分子が整列させられることで、平行要素が垂直要素へと移行したという可能性です。……この場合、偏光度測定装置の測定方向か、インプレス電場の方向を変えてみて、同じ電圧で、違う偏光度が出るなら、こういことが原因だと確認できるでしょう。また、対象としている物質の分子の配向の確認には、この場合、偏光度測定装置は、不適切なところがあるか、または、使い方にもっと工夫がいるということにならないでしょうか。……素人の意見ですが)。
 
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  蛍光偏光のことなら、簡単に説明すれば、蛍光物質(分子等)は、偏光が入射されると、これを吸収し、安定状態な場合は、入射偏光と同じ「偏光平面」で、偏光蛍光を放射するという現象です。
 
  偏光とは、普通、光は、その進行方向と垂直な平面(法面)において、様々な方向に電磁波が振動しているのですが、偏光板のような特殊な物質の板を通過させると、或る特定方向の振動以外の光は吸収され、結果的に、特定の方向にだけ振動する電磁波(光)が出てくることで、このように、振動方向が特定の方向だけの光を、「偏光」と呼ぶのです。
 
  (光は電磁場の振動で、進行方向の経路で見ると、電場が正弦曲線の形に振動しているのです。この時、電場の振動面と丁度90度回転した面で、磁場が、やはり正弦波の振動を行っています。この電場と磁場の互いに垂直になっている振動が光で、普通の光は、電場が振動している面が、光の進行方向に対し垂直な面で360度の角度全体で振動しています。この光のなかで、或る特定の振動面の電場+磁場を選んで、他を吸収すると、「偏光」ができるのです)。
 
  蛍光偏光は、蛍光物質が、偏光を受け取ると、それと同じ平面で振動する偏光蛍光を外に向かって放射するという現象です。
 
  しかし、考えれば分かるのですが、もし、蛍光物質(分子)が、偏光を受け取り、吸収した後、励起されて、偏光蛍光を出すまでに、回転運動などをすると、放射される偏光蛍光の偏光の振動面が、元の入射偏光の偏光平面とずれてきます。蛍光物質(分子)が、回転運動などしなければ、入って来た偏光と、出てくる偏光の偏光面は同じになるのです。
 
  逆に言うと、入射させた偏光と、出てくる偏光を測定して、どれぐらい偏光平面がずれているかを測定し計算すると、蛍光物質の分子が、どれぐらい回転したかが分かるのです。
 
  「偏光度=蛍光偏光度」というのは、この偏光面が、入射した偏光と出てきた偏光蛍光で、どのぐらい違うかという大きさに関係する量です。偏光度をPとすると、「Pが大きい」ほど、入射と放射の偏光の「平面の違いが小さい」です。逆に、「Pが小さい」ほど、二つの偏光の「平面の違いが大きい」のです。
 
  つまり、言い方を変えると、Pが大きいと、蛍光物質の分子が、ある時間のなかで、ほとんど回転運動しなかったことになります。またPが小さいとと、分子は、非常に大きく回転運動したことになります。(この関係は重要です。Pが大きいと、入射と放射の偏光は同じもので、Pが小さいと、入射と放射で、大きく偏光が違ってきているのです。偏光が違って来ている理由は、分子が大きく回転したからです)。
 
    偏光度Pが大 → 入射と放射の偏光平面がほぼ同じ → 分子回転小(=分子サイズ大)
    偏光度Pが小 → 入射と放射の偏光平面が食い違う → 分子回転大(=分子サイズ小)
 
  蛍光物質の分子は、色々な分子に付着させるというか、マーカーとして、分子に結合させておくのです。すると、付着させた分子が動くと、蛍光を発するので、分子を追いかけることができるのです。
 
  また、分子の回転は、小さな分子ほど、簡単に回転が起こり、大きな分子だと、回転が起こっても、余り速く回転しません。蛍光物質の分子の回転は、付着させた分子の回転と同じになるので、「蛍光物質分子+目的分子」全体の回転が問題になります。
 
  上に述べたように、分子が大きいと、回転しにくい、あるいは回転速度が遅くなります。分子が小さいと、速く回転します。すると、分子が大きいと、なかなか回転しないので、放射光の偏光は、入射光の偏光とほぼ同じ平面になり、偏光の度合いが大きく、つまり「偏光度」は大きくなります。その反対に、分子が小さいと、速く回転するので、入射光の偏光とはかなりずれた偏光となり、結果的に、偏光の度合いは小さくなり、「偏光度」は小さくなります(上のPの整理式を参照)。
 
  偏光度Pが大きいと、蛍光物質を付着させた分子の回転が小さい、つまり、その分子のサイズが大きいのです。
 
  また、偏光度Pが小さいと、問題の分子の回転が大きい、つまり、その分子のサイズが小さいのです。
 
  こうして、蛍光偏光度を測定すると、マーカーを付けた分子の大きさが分かることになります。最初、小さな分子だったのが、別の分子と結合すると、サイズが大きくなるので、偏光度が大きくなります。また、反対に最初の分子が、二つに別れて、一方に蛍光物質分子が付いていると、偏光度が小さくなり、分子のサイズが小さくなったということが分かるのです。
 
  蛍光偏光度Pを測定していると、マーカーを付けた分子が、別の分子と結合して大きくなったりすれば、偏光度が大きくなり、分子が、分解・解離等すれば、偏光度が小さくなるのです。
 
  これによって、蛍光偏光度を測定するだけで、例えば、有機体の分子などに蛍光物質分子を付けておくと、その分子が、別の分子と結合するか、または解離するか、などが分かるようになるのです。
 

この回答への補足

ありがとうございます。

私のやっている実験では、分子の結合や、分子の解離などではなく、指標分子がどの程度配向しているかを測定するものです。

蛍光分子に溶液中で電場をかけ配向させ蛍光を測定しています。

ここで、この蛍光分子は分子内分極をしているため、印加電圧を大きくすると配向が進むはずなのですが・・・

しかし、測定された結果は、印加電圧を大きくすると、偏光度が小さくなるというものでした。


偏光をしているとすると、偏光度は1に収束し、偏光がなければ0に収束しますよね?


ここで、偏光度が0.5なんかになった場合はどう考えればよいのでしょうか?

補足日時:2001/12/19 23:20
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下記のページの真中あたりに詳しい説明が出ていますが、いかがでしょうか?


(ブラウザの「編集」から「このページの検索」を選んで、「偏光蛍光」と入力すればすぐヒットします。)

http://bio.takara.co.jp/catalog/catalog_d.asp?C_ …

参考URL:http://bio.takara.co.jp/catalog/catalog_d.asp?C_ …
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