蛍光

蛍光は、光やその他の電磁放射を吸収した物質が発する 2 種類の光のうちの 1 つです。多くの物質は紫外線にさらされると、色のついた可視光線で輝きます (蛍光を発します)。発せられる光の色は、物質の化学組成によって異なります。蛍光物質は、通常、放射線源が停止するとほぼ即座に光りなくなります。この点が、他の種類の発光である燐光との違いです。燐光物質は、放射線が停止した後もしばらく光を発し続けます。

蛍光は、入射光の光子が物質の分子内の軌道電子に吸収され、より高いエネルギーレベルに励起されるときに発生します。その後、電子はエネルギーを失って元のエネルギーレベルに戻り、異なる周波数の別の光子を放出します。これが蛍光の輝きです。

蛍光はルミネセンスの一種です。ほとんどの場合、放出される光の波長は吸収される放射線よりも長く、したがって光子 エネルギーは低くなります。最も一般的な例は、吸収される放射線が電磁スペクトルの紫外線領域（人間の目には見えない）にあり、放出される光が可視領域にある場合に発生します。これにより、蛍光物質は独特の色になり、紫外線にさらされたときに最もよく見えるため、暗闇で光って見えます。ただし、より短い波長の光であれば、より長い波長で物質が蛍光を発することがあります。蛍光物質は、特定の可視光の波長によって励起され、輝きが隠される場合もありますが、色は明るく強めに見える場合があります。他の蛍光物質は、スペクトルの赤外線領域または紫外線領域で光を発します。

蛍光には、鉱物学、宝石学、医学、化学センサー（蛍光分光法）、蛍光標識、染料、生物学的検出器、宇宙線検出、真空蛍光ディスプレイ、ブラウン管など、多くの実用的な用途があります。 最も一般的な日常的な用途は、（ガス放電）蛍光灯とLEDランプです。これらのランプでは、蛍光コーティングが紫外線または青色光を長波長に変換し、従来の（ただしエネルギー効率の悪い）白熱電球の光と区別がつかないほどの白色光を生み出します。 蛍光は、自然界でも一部の鉱物や、すべての生物界にわたる多くの生物学的形態で頻繁に発生します。 後者は生体蛍光と呼ばれることがあり、これは蛍光体が生体の一部であるか、生体から抽出されたものであることを示しています（無機染料や染色剤ではありません）。 しかし、蛍光は特定の化学物質によるものであり、ほとんどの場合は人工的に合成することもできるため、物質自体を蛍光体と表現すれば十分です。

蛍光は、それが命名され理解されるずっと前から観察されていました。^[1] 蛍光の初期の観察はアステカ人に知られており^[1] 、1560年にベルナルディーノ・デ・サアグンによって、1565年にニコラス・モナルデスによって、リグナム・ネフリチカム（ラテン語で「腎臓の木」）として知られる煎じ液に記載されています。これは、 Pterocarpus indicusとEysenhardtia polystachyaという2種類の樹木から抽出されました。^{[2] [3] [4]}この蛍光の原因となる化合物はマトラリンで、この木材に含まれるフラボノイド の1つが酸化されたものです。 ^[2]

1819年にEDクラーク^[5] と1822年にルネ・ジャスト・ハウイ ^[6]は、光が反射するか（明らかに）透過するかによって色が異なるいくつか の種類の蛍石について説明しました。ハウイは、その効果を乳白色に似た光の散乱と誤って捉えました。^{[1] ： 図5} 1833年にデイビッド・ブリュースター卿はクロロフィルで同様の効果を説明、これも乳白色の一種であると考えました。^[7] ジョン・ハーシェル卿は1845年にキニーネを研究し^{[8] [9]}、別の誤った結論に達しました。^[1]

1842年、AEベクレルは、硫化カルシウムが太陽の紫外線にさらされると発光することを観察しました。これにより、彼は放出された光の波長が入射光よりも長いことを初めて述べました。彼の光ルミネセンスの観察は、10年後にキニーネ溶液の蛍光を観察したストークスによって記述されたものと似ていましたが、ベクレルが硫化カルシウムで記述した現象は現在では燐光と呼ばれています。^[1]

ジョージ・ガブリエル・ストークスは、 1852年に光の「屈折性」（波長変化）に関する論文で、蛍石、ウランガラス、その他多くの物質が可視スペクトルの紫色端を超える不可視光を可視光に変える能力があることを説明した。彼はこの現象を蛍光と名付けた^[1]。

「私は、この現象を蛍石（つまり蛍石）から蛍光と名付けたいくらいだ。類似の用語である乳白色は鉱物の名前に由来しているからだ。」^{[10] （p 479、脚注）}

ベクレルもストークスも、フォトルミネセンスの重要な側面の1つ、つまり加熱された物質からの光の放出である白熱光との決定的な違いを理解していませんでした。白熱光と区別するために、1800年代後半にグスタフ・ヴィーデマンは、光源の温度から予想されるよりも強い光の放出を指すためにルミネセンスという用語を提案しました。 ^[1]

1950 年代から 1970 年代にかけての分光法と量子エレクトロニクスの進歩により、光を生成する 3 つの異なるメカニズムを区別する方法がもたらされ、また、それらのメカニズムが吸収後に減衰するまでの典型的な時間スケールが絞り込まれました。現代科学では、レーザーなどの一部のアイテムは、典型的にはナノ秒 (10 億分の 1 秒) の範囲で発生する最速の減衰時間を必要とするため、この区別は重要になりました。物理学では、この最初のメカニズムは「蛍光」または「一重項発光」と呼ばれ、ルビーなどの多くのレーザー媒体で一般的です。他の蛍光物質は、原子の一部がスピンを三重項状態に変化させ、励起下では蛍光を発して明るく輝くが、励起が除去された後、短時間でより暗い残光を発するため、減衰時間がはるかに長いことが発見されました。これは「リン光」または「三重項リン光」と呼ばれるようになりました。典型的な減衰時間は数マイクロ秒から1秒の範囲で、人間の目から見ても十分速いため、口語的に蛍光と呼ぶことができます。一般的な例としては、蛍光灯、有機染料、さらには蛍石などがあります。より長い発光体、一般に暗闇で光る物質と呼ばれるものは、1秒から数時間に及び、このメカニズムは他の2つのメカニズムと区別するために持続性リン光または持続性発光と呼ばれていました。^{[11] : 1–25}

蛍光は、励起された分子、原子、またはナノ構造が、電子スピンの変化なしに光子を放出してより低いエネルギー状態（通常は基底状態）に緩和するときに発生します。初期状態と最終状態の多重度（スピン）が異なる場合、この現象はリン光と呼ばれます。^[12]

ほとんどの分子の基底状態は一重項状態であり、S ₀と表記される。注目すべき例外は分子酸素で、これは三重項基底状態を持つ。エネルギーの光子を吸収すると、基底状態と同じ多重度（スピン）の励起状態、通常は一重項（n > 0のS _{n ）になる。溶液中では、n > 1の状態は、非放射過程（内部変換とそれに続く振動緩和（エネルギーは}熱として散逸する）を含む）を通じて溶媒分子にエネルギーを伝達することにより、最初の励起状態（S ₁ ）の最低振動レベルに急速に緩和する。^[13]したがって、最も一般的には、蛍光は最初の一重項励起状態S ₁から発生する。蛍光は、励起状態が基底状態に緩和する際に発生する光子の放出である。蛍光光子のエネルギー（ ）は、励起状態を生成するために使用される光子のエネルギー（） と比較して低い。${\displaystyle h\nu_{ex}}$${\displaystyle h\nu_{em}}$${\displaystyle h\nu_{ex}}$

• 励起：${\displaystyle \mathrm {S} _{0}+h\nu _{\text{ex}}\to \mathrm {S} _{1}}$
• 蛍光（発光）：${\displaystyle \mathrm {S} _{1}\to \mathrm {S} _{0}+h\nu _{\text{em}}}$

いずれの場合も、光子のエネルギーはに従ってその周波数に比例します。ここで はプランク定数です。 ${\displaystyle E}$ ${\displaystyle \nu}$${\displaystyle E=h\nu }$${\displaystyle h}$

励起状態S ₁は、光の放出を伴わない他のメカニズムによって緩和することがある。これらのプロセスは非放射プロセスと呼ばれ、蛍光放出と競合し、その効率を低下させる。^[13]例としては、内部変換、三重項状態への項間交差、および他の分子へのエネルギー移動が挙げられる。エネルギー移動の例としては、フェルスター共鳴エネルギー移動がある。励起状態からの緩和は、衝突消光、すなわち励起状態の寿命中に分子（消光剤）が蛍光分子と衝突するプロセスによっても起こる可能性がある。分子状酸素（O ₂）は、その珍しい三重項基底状態のため、蛍光の極めて効率的な消光剤である。

蛍光量子収率は蛍光プロセスの効率を示す。これは放出された光子の数と吸収された光子の数の比として定義される。^{[14] (p 10) [13]}

${\displaystyle \Phi ={\frac {\text{放出された光子の数}}{\text{吸収された光子の数}}}}$

蛍光量子収率の最大値は 1.0 (100%) です。吸収された光子ごとに光子が放出されます。量子収率が 0.10 の化合物でも、かなり蛍光性が高いと考えられます。蛍光の量子収率を定義する別の方法は、励起状態の減衰率です。

${\displaystyle \Phi ={\frac {{k}_{f}}{\sum _{i}{k}_{i}}}}$

ここで、は放射線の 自然放出の速度定数であり、${\displaystyle {k}_{f}}$

${\displaystyle \sum _{i}{k}_{i}}$

は、励起状態の崩壊のすべての速度の合計です。励起状態の崩壊の他の速度は、光子放出以外のメカニズムによって引き起こされるため、「非放射速度」と呼ばれることが多く、次のようなものがあります。

• 動的衝突消光
• 近接場双極子間相互作用（または共鳴エネルギー移動）
• 内部変換
• システム間交差

したがって、いずれかの経路の速度が変化すると、励起状態の寿命と蛍光量子収率の両方が影響を受けます。

蛍光量子収率は標準との比較によって測定されます。^[15]硫酸溶液中のキニーネ塩キニーネ硫酸塩は最も一般的な蛍光標準と考えられていましたが、^{[16]最近の研究では、この溶液の蛍光量子収率は温度に大きく影響され、標準溶液として使用すべきではないことが明らかになりました。0.1} M過塩素酸 中のキニーネ （ Φ = 0.60）は45℃まで温度依存性を示さないため、信頼性の高い標準溶液と見なすことができます。^[17]

蛍光寿命とは、分子が光子を放出する前に励起状態に留まる平均時間を指します。蛍光は通常、一次速度論に従います。

${\displaystyle \left[S_{1}\right]=\left[S_{1}\right]_{0}e^{-\Gamma t}}$

ここで、は時間 における励起状態分子の濃度、は初期濃度、は減衰率または蛍光寿命の逆数です。これは指数関数的減衰の例です。さまざまな放射および非放射プロセスにより、励起状態が減少する可能性があります。このような場合、総減衰率はすべての速度の合計になります。 ${\displaystyle \left[S_{1}\right]}$${\displaystyle t}$${\displaystyle \left[S_{1}\right]_{0}}$${\displaystyle \Gamma}$

${\displaystyle \Gamma _{tot}=\Gamma _{rad}+\Gamma _{nrad}}$

ここで、は総崩壊速度、放射崩壊速度、および非放射崩壊速度です。これは、一次速度定数がすべての速度の合計である一次化学反応に似ています (並列運動モデル)。自然放出の速度、またはその他の速度のいずれかが速い場合、寿命は短くなります。一般的に使用される蛍光化合物の場合、紫外線から近赤外線までのエネルギーを持つ光子放出の典型的な励起状態崩壊時間は、0.5 ～ 20ナノ秒の範囲内です。蛍光寿命は、蛍光共鳴エネルギー移動や蛍光寿命イメージング顕微鏡などの蛍光の実際のアプリケーションにとって重要なパラメーターです。 ${\displaystyle \Gamma _{tot}}$${\displaystyle \Gamma _{rad}}$${\displaystyle \Gamma _{nrad}}$

ヤブロンスキー図は励起状態分子の緩和メカニズムのほとんどを説明しています。横の図は分子の特定の励起電子の緩和により蛍光がどのように発生するかを示しています。^[18]

蛍光体の遷移モーメントが光子の電気ベクトルと平行であれば、蛍光体は光子によって励起されやすくなります。^{[14] (pp 12–13)}放出される光の偏光も遷移モーメントに依存します。遷移モーメントは蛍光体分子の物理的な方向に依存します。溶液中の蛍光体の場合、放出される光の強度と偏光は回転拡散に依存します。したがって、異方性測定は、特定の環境で蛍光分子がどれだけ自由に移動するかを調べるために使用できます。

蛍光異方性は定量的に次のように定義できる。

${\displaystyle r={I_{\parallel }-I_{\perp } \over I_{\parallel }+2I_{\perp }}}$

ここで、は励起光の偏光に平行な放射強度であり、は励起光の偏光に垂直な放射強度である。^[13]${\displaystyle I_{\parallel }}$${\displaystyle I_{\perp }}$

異方性は吸収または放出される光の強度とは無関係で、光の特性であるため、信号が検出できる限り、染料の光退色は異方性の値に影響を与えません。

強い蛍光を発する顔料は、口語的に「ネオンカラー」（1960年代後半から1970年代前半は「デイグロ」と呼ばれていた）と呼ばれる珍しい外観をしていることが多い。この現象は、ヘルマン・フォン・ヘルムホルツによって「ファルベングルット」 、ラルフ・M・エバンスによって「蛍光」と名付けられた。これは、白色の成分としての色に比べて、色の明るさが高いことに関係していると一般に考えられている。蛍光は、入射光のエネルギーを短波長から長波長（青から黄色など）にシフトさせ、そのため、反射のみの場合よりも蛍光色が明るく（より彩度が高く）見えるようにすることができる。^[19]

蛍光を扱う一般的なルールがいくつかあります。以下のルールにはそれぞれ例外がありますが、蛍光を理解するための有用なガイドラインとなります (これらのルールは必ずしも2 光子吸収には適用されません)。

カシャの法則は、分子の発光（蛍光またはリン光）は、与えられた多重度の最低励起状態からのみ放出されるとしている。^[20]ヴァビロフの法則（カシャの法則の論理的拡張でカシャ・ヴァビロフの法則と呼ばれる）は、発光の量子収率は励起光の波長に依存せず、励起波長の吸光度に比例するとしている。^[21]カシャの法則は常に適用されるわけではなく、アズレンなどの単純な分子では違反している。^[22]例外はあるものの、もう少し信頼性の高い記述は、蛍光スペクトルは励起光の波長にほとんど依存しないというものである。^[23]

多くの蛍光体では、吸収スペクトルは発光スペクトルの鏡像です。^{[14] (pp 6–8)} これは鏡像則として知られており、電子遷移は垂直であり、つまりエネルギーは距離の変化なしに変化し、ヤブロンスキー図で垂直線で表されるというフランク・コンドン原理に関連しています。これは原子核が動かず、励起状態の振動レベルが基底状態の振動レベルに似ていることを意味します。

一般に、放出される蛍光は吸収された光よりも波長が長く、エネルギーが低くなります。^{[14] (pp 6–7)}ストークスシフトと呼ばれるこの現象は、光子が吸収されてから新しい光子が放出されるまでの間のエネルギー損失によって生じます。ストークスシフトの原因と大きさは複雑であり、蛍光体とその環境に依存します。ただし、共通の原因もいくつかあります。これは、励起状態の最低振動エネルギーレベルへの非放射崩壊によって生じることが多いです。もう 1 つの要因は、蛍光の放出によって蛍光体が基底状態のより高い振動レベルに置かれることが多いことです。

蛍光を発する天然化合物は数多くあり、さまざまな用途に使用されています。グリーンアイなどの深海動物の中には蛍光構造を持つものもあります。

蛍光は、分子が電磁波（通常は紫外線または可視光線）を吸収し、その後、より低いエネルギー（より低い周波数、より長い波長）の光子を放出する現象である。これにより、放出される光は吸収される光とは異なる色になる。刺激光は電子を励起状態に励起する。分子が基底状態に戻ると、蛍光放出である光子を放出する。励起状態の寿命は短いため、通常、光の放出は吸収光がオンになっているときにのみ観察できる。蛍光はどの波長でも可能であるが、放出される光子が可視スペクトル内にある場合により顕著になることが多い。生体内で発生する場合、バイオ蛍光と呼ばれることがある。蛍光をバイオルミネセンスやバイオリン光と混同してはならない。^[24]ブラジルの大西洋岸森林に生息するパンプキンヒキガエルは蛍光を発する。^[25]

生物発光は、生物内の化学反応によって自然に光が生成されるのに対し、蛍光は環境からの光を吸収して再放射するという点で蛍光とは異なります。^[24] ホタルとアンコウは、生物発光生物の2つの例です。^[26]潜在的な混乱に加えて、ウミパンジーRenilla reniformisのように、生物発光と蛍光の両方を行う生物もいます。この場合、生物発光が蛍光の光源として機能します。^[27]

リン光は、励起エネルギーの供給源として光の波長を必要とする点で蛍光に似ています。ここでの違いは、エネルギーを与えられた電子の相対的な安定性にあります。蛍光とは異なり、リン光では電子が安定性を維持し、刺激光源が取り除かれた後でも「暗闇で光り続ける」光を発します。^[24]たとえば、暗闇で光るステッカーはリン光を発しますが、真に生物リン光を発する動物は知られていません。^[28]

蛍光を発する色素細胞は蛍光色素胞と呼ばれ、体細胞的には通常の色素胞と同様に機能します。これらの細胞は樹状で、フルオロソームと呼ばれる色素を含んでいます。これらの色素には、K +（カリウム）イオンによって活性化される蛍光タンパク質が含まれており、蛍光色素胞内でのそれらの移動、凝集、分散が指向性蛍光パターンを引き起こします。^{[29] [30]蛍光細胞は、}メラニンを含む色素細胞であるメラノフォアなどの他の色素胞と同じように神経支配されています。短期的な蛍光パターン形成とシグナル伝達は神経系によって制御されています。^[29]蛍光色素胞は、他の色素胞とともに、皮膚（魚類など）の表皮のすぐ下に見られます。

魚類の表皮蛍光細胞もメラノフォアとほぼ同じようにα-MSHおよびMCHホルモンによるホルモン刺激に反応します。これは、蛍光細胞が概日リズムに合わせて一日を通して色の変化を示す可能性があることを示唆しています。^[31]魚類は、捕食者との相互作用や交尾の儀式など、環境刺激に対するコルチゾール誘発ストレス反応にも敏感である可能性があります。 ^[29]

蛍光の発生は生物の系統樹全体にわたって広く見られ、刺胞動物と魚類で最も広範に研究されている。この現象は、ウナギ目（ウナギ）、ハゼ目（ハゼ類とテンジクダイ類）、モンガラカワハギ目（モンガラカワハギ類）などの複数の分類群で複数回進化したようで、本稿で後述する他の分類群も含まれる。蛍光は、発せられる波長、表示されるパターン、蛍光の強度に関して、生態系内においても遺伝子型と表現型によって大きく異なる。一般に、カモフラージュに頼る種は蛍光の多様性が最も大きいが、これはカモフラージュが蛍光の用途の 1 つである可能性が大きいためと考えられる。^[32]

一部の科学者は、GFPとGFP類似タンパク質は光によって活性化される電子供与体として始まったと推測している。これらの電子はその後、光エネルギーを必要とする反応に使用された。太陽光からの保護、光の異なる波長への変換、シグナル伝達などの蛍光タンパク質の機能は二次的に進化したと考えられている。^[33]

現在、蛍光と蛍光タンパク質の機能的意義については比較的ほとんどわかっていません。^{[33]しかし、蛍光はシグナル伝達とコミュニケーション、}交尾、誘引、カモフラージュ、紫外線防御と抗酸化、光順応、渦鞭毛藻の調節、サンゴの健康において重要な機能を果たしているのではないかと疑われています。^[34]

水は長波長の光を吸収するため、これらの波長から反射して目に届く光は少なくなります。そのため、可視光スペクトルの暖色系は、深さが増すにつれて鮮やかさが低下します。水は紫より上の短波長の光を散乱させるため、明層では寒色系の色が視野を支配します。光の強度は深さ 75 メートルごとに 10 倍減少するため、深さ 75 メートルでは光の強度は表面の 10% になり、150 メートルでは表面の 1% になります。水は特定の深さに達する水の波長と強度をフィルタリングするため、吸収できる光の波長と強度に応じて、異なるタンパク質がさまざまな深さに適しています。理論的には、一部の魚の目は 1000 メートルの深さまで光を検出できます。無光層のこれらの深さでは、唯一の光源は生物自体であり、生物発光と呼ばれるプロセスで化学反応によって光を発します。

蛍光は、単に、ある波長で電磁放射を吸収し、別のより低いエネルギーの波長で再放射することと定義されます。^[32]したがって、あらゆる種類の蛍光は、外部光源の存在に依存します。生物学的に機能的な蛍光は、蛍光を引き起こすのに十分な光だけでなく、他の生物がそれを検出できる十分な光がある光層で見られます。^[35] 光層の視野は自然に青色であるため、蛍光の色は明るい赤、オレンジ、黄色、緑として検出されます。緑は海洋スペクトルで最も一般的に見られる色で、黄色が2番目、オレンジが3番目、赤は最もまれです。無光層の生物では、同じ生物の生物発光の副産物として蛍光が発生することがあります。無光層の蛍光の一部は、生物の組織生化学の副産物にすぎず、機能的な目的はありません。ただし、深海の無光層での蛍光の機能的および適応的重要性に関するいくつかのケースは、研究が活発に行われています。^[36]

浅瀬に生息する硬骨魚類は、色彩豊かな環境に生息しているため、一般的に色覚が良好である。したがって、浅瀬の魚類では、特にこの現象の表現型の多様性を考慮すると、赤、オレンジ、緑の蛍光は同種の魚とのコミュニケーション手段として機能している可能性が高い。 ^[32]

サメ、エソ、カサゴ、ベラ、カレイなど、蛍光を発する魚類の多くも黄色の眼内フィルターを持っています。^{[37]特定の魚類の}水晶体と角膜にある黄色の眼内フィルターは、ロングパスフィルターとして機能します。これらのフィルターにより、その種は蛍光を視覚化し、潜在的に利用して、視覚の特殊化を欠く他の魚類や捕食者には見えない視覚的なコントラストとパターンを強調することができます。^[32]蛍光を視覚化するために必要な黄色の眼内フィルターを持つ魚は、その仲間からの光信号を潜在的に利用します。蛍光パターンは、複雑なカモフラージュを持つ隠されたパターンの魚で特に顕著でした。これらの系統の多くは、そのようなパターンの視覚化を可能にする黄色のロングパス眼内フィルターも持っています。^[37]

蛍光のもう一つの適応的利用法は、視力を補助するために、光層の周囲の青色光からオレンジ色と赤色の光を生成することである。赤色光は、水による赤色光の波長の減衰のため、短距離でしか見えない。 ^[38]蛍光を発する多くの魚種は、小型で、群れで生活するか、底生/無光性であり、目立つ模様を持っている。この模様は蛍光組織によって引き起こされ、種の他のメンバーには見えるが、他の視覚スペクトルではこの模様は見えない。これらの種内蛍光パターンは、種内シグナリングとも一致する。個体の視線の方向性を示すために眼輪に現れるパターンと、個体の動きの方向性を示すためにひれに沿って現れるパターン。^[38]現在の研究では、この赤色蛍光は同じ種のメンバー間の私的なコミュニケーションに使用されていると疑われている。^{[29] [32] [38]}海洋深部では青色光が目立つため、赤色光とより長波長の光が混ざり合い、多くの捕食性のサンゴ礁魚はこれらの波長の光に対してほとんどまたは全く感度がありません。より長波長に対する視覚感度を発達させたフェアリーラスなどの魚は、青色の環境に対して高いコントラストを与え、近距離では同種の魚に目立つ赤色蛍光信号を表示することができますが、長波長に対する感度が低下している他の一般的な魚には比較的見えません。したがって、蛍光はサンゴ礁魚における適応シグナルおよび種内コミュニケーションとして使用することができます。^{[38] [39]}

さらに、生物の目の周囲にある蛍光組織は、光層からの青色光や無光層の緑色の生物発光を赤色光に変換して視覚を助けるために使用されていると示唆されています。 ^[38]

2種のサメで新しい蛍光体が発見されたが、これは臭素化トリプトファン-キヌレニン小分子代謝物の未記載のグループによるものであった。^[40]

蛍光はサンゴにおいて多種多様な機能を果たしている。サンゴの蛍光タンパク質は、通常は利用できない光の波長を、サンゴの共生藻類が光合成を行える波長に変換することで、光合成に貢献している可能性がある。^[41]また、光順応の手段として利用できる光の量が増減すると、タンパク質の数が変動する可能性がある。^[42]同様に、これらの蛍光タンパク質は、光合成によって生成される酸素ラジカルを除去する抗酸化能力を持っている可能性がある。^[43]最後に、光合成を調節することで、蛍光タンパク質はサンゴの光合成藻類共生生物の活動を制御する手段としても機能する可能性がある。^[44]

ほぼ透明な2種類のイカ、アロテウティス・サブラータとロリゴ・ブルガリスは、目の上に蛍光斑点を持っています。これらの斑点は入射光を反射し、カモフラージュの手段として機能している可能性がありますが、群れを作るために他のイカに合図を送るためにも使用されています。^[45]

海洋における蛍光のよく研究された例としては、ヒドロ 虫類のオワンクラゲが挙げられる。このクラゲは北米西海岸の可視光層に生息し、下村脩によって緑色蛍光タンパク質（GFP）のキャリアとして特定された。この緑色蛍光タンパク質の遺伝子は単離されており、他の遺伝子の発現を示すために遺伝学的研究で広く使用されているため、科学的に重要である。^[46]

Lysiosquillina glabriusculaを含む口足甲殻類のシャコのいくつかの種は、触角鱗と甲羅（殻）に沿って黄色の蛍光模様があり、オスは捕食者や他のオスに威嚇ディスプレイを行う際にこれを示す。ディスプレイでは、頭と胸部を上げ、目立つ付属肢と他の顎脚を広げ、目立つ楕円形の触角鱗を横に伸ばし、これにより動物が大きく見え、黄色の蛍光模様が強調される。さらに、深度が増すにつれて、シャコの蛍光が利用可能な可視光の大部分を占めるようになる。交尾の儀式の間、シャコは活発に蛍光を発し、この蛍光の波長は目の色素によって検出される波長と一致する。^[47]

クサビクサ類はヒドロ虫門に属する海洋動物の目であり、特殊なクラゲ類とポリプ類 からなる。水深1600メートルから2300メートルの無光層に生息するエレナ属を含む一部のクサビクサ類は、触手状の触手の発光器官で黄色から赤色の蛍光を発する。この蛍光は、同じ発光器官からの生物発光の副産物として発生する。クサビクサ類は、獲物を誘引するためのルアーとして使用される点滅パターンで蛍光を発する。 ^[48]

捕食性の深海トゲオイシ類である Malacosteus niger 、近縁のAristostomias属、Pachystomias microdon種は、赤色の蛍光補助色素を使用して、自身の生物発光から発せられる青色光を眼窩下発光器官からの赤色光に変換する。この赤色発光は他の動物には見えないため、これらのトゲオイシ類は暗い海底で捕食者を引き付けたり合図したりすることなく、余分な光を発することができる。^[49]

蛍光は両生類に広く見られ、カエル、サンショウウオ、アシナシイモリのいくつかの科で記録されているが、その程度は大きく異なる。^[50]

南米に広く生息するポルカドットアマガエル（Hypsiboas punctatus）は、2017年に意図せずして初の蛍光両生類として発見されました。蛍光はリンパ腺と皮膚腺で発見された新しい化合物に由来するものでした。[ 51 ]主な^{蛍光化合物はヒロインL1で、紫色または}紫外線にさらされると青緑色に輝きます。この発見に関わった科学者は、蛍光がコミュニケーションに使用できることを示唆しました。彼らは、蛍光はおそらくカエルの間で比較的広く普及しているのではないかと推測しました。^{[52]そのわずか数か月後、近縁種の}ヒプシボアス・アトランティクスで蛍光が発見されました。これは皮膚腺からの分泌物に関連しているため、カエルがいた場所に蛍光の痕跡を残すこともできます。^[53]

2019年には、ブラジル南東部に生息する2種類のカエル、小さなカボチャヒキガエル（Brachycephalus ephippium）と赤いカボチャヒキガエル（B. pitanga）が、自然に蛍光を発する骨格を持っていることが発見され、紫外線にさらされると皮膚を通して蛍光が見えるようになった。^{[54] [55]}当初は、蛍光がすでに警告色となっている（有毒である）か、配偶者選択（種の認識または潜在的なパートナーの適応度の判断）に関連しているのではないかと推測されていたが、^[54]その後の研究では、前者の説明はありそうにないことが示されており、ヒキガエルに対する捕食の試みは蛍光の有無に影響を受けないようだ。^[56]

2020年には、緑色や黄色の蛍光は、青色光や紫外線にさらされた成体のカエルだけでなく、オタマジャクシ、サンショウウオ、アシナシイモリにも広く見られることが確認された。その程度は種によって大きく異なり、非常にはっきりと現れる種もあれば、ほとんど目立たない種もある。皮膚の色素、粘液、骨などによって決まることもある。^[50]

アゲハチョウは蛍光を発するための複雑なシステムを持っています。羽には色素を注入した結晶があり、指向性のある蛍光を発します。これらの結晶は、空色の光（波長約420nm）の放射を吸収すると、最もよく蛍光を発します。蝶が最もよく見る光の波長は、蝶の羽の結晶の吸収率に対応しています。これは、シグナル伝達能力を高める機能があると考えられます。^[57]

オウムは蛍光を発する羽毛を持っており、これは配偶者シグナリングに利用される可能性がある。セキセイインコ（Melopsittacus undulates ）の配偶者選択実験を用いた研究では、蛍光による性的シグナリングを強力に裏付ける証拠が見つかり、オスとメスの両方が実験刺激となる蛍光を発する鳥を著しく好んだ。この研究は、オウムの蛍光羽毛が単に色素沈着の副産物ではなく、適応した性的シグナルであることを示唆している。蛍光色素を生成する経路の複雑さを考慮すると、かなりのコストがかかる可能性がある。したがって、強い蛍光を発する個体は、関連するコストに対処できるため、個体の質が高いことを示す正直な指標である可能性がある。^[58]

クモは紫外線下で蛍光を発し、非常に多様な蛍光体を持っています。アンドリュース、リード、マスタは、クモは蛍光が「分類学的に広く普及し、表現が多様で、進化的に不安定で、おそらく淘汰を受けており、種内および種間のシグナル伝達にとって生態学的に重要な可能性がある」唯一の既知のグループであると指摘しました。^[59]彼らは、蛍光がクモの分類群全体で複数回進化し、クモの多様化の過程で新しい蛍光体が進化したことを示しました。

一部のクモでは、紫外線のシグナルは捕食者と被捕食者の相互作用、種内コミュニケーション、蛍光花とのカモフラージュに重要である。生態学的状況の違いにより、蛍光がクモの隠れ身を助けるのか、捕食者にとって目立つようにするのかによって、蛍光発現の抑制または増強が有利になる可能性がある。したがって、自然選択はクモの種を超えて蛍光発現に作用している可能性がある。^[59]

サソリも蛍光を発するが、これはサソリの表皮にベータカルボリンが含まれているためである。 ^[60]

2020年にはいくつかのカモノハシの標本で蛍光が報告された。^[61]

多くの植物はクロロフィルの存在により蛍光を発します。クロロフィルはおそらく最も広く分布している蛍光分子であり、さまざまな励起波長で赤色の発光をします。^[62]クロロフィルのこの特性は、生態学者が光合成効率を測定するためによく使用されます。^[63]

ミラビリス・ハラパの花には、紫色の蛍光ベタシアニンと黄色の蛍光ベタキサンチンが含まれています。白色光の下では、ベタキサンチンのみを含む花の部分は黄色に見えますが、ベタキサンチンとベタシアニンの両方が存在する部分では、内部の光フィルタリング機構により、花の目に見える蛍光は薄れます。蛍光は以前は花粉媒介者を引き付ける役割を果たすと示唆されていましたが、後に蛍光による視覚信号は花によって反射された光の視覚信号と比較して無視できるほど小さいことが判明しました。^[64]

エポニアス蛍石に加えて、^[65]多くの 宝石や鉱物は独特の蛍光性を示したり、短波紫外線、長波紫外線、可視光、またはX線の下で異なる蛍光を発することがあります。

多くの種類の方解石と琥珀は、短波紫外線、長波紫外線、可視光線の下で蛍光を発します。ルビー、エメラルド、ダイヤモンドは、長波紫外線、青色光、場合によっては緑色光の下で赤色の蛍光を発します。ダイヤモンドは、X 線放射の下でも発光します。

鉱物の蛍光は、さまざまな活性剤によって引き起こされます。場合によっては、蛍光発光の消光を防ぐために、活性剤の濃度を一定レベル以下に制限する必要があります。さらに、鉱物には、起こり得る蛍光の消光を防ぐために、鉄や銅などの不純物が含まれていてはなりません。数パーセントまでの濃度の2価マンガンは、方解石の赤色またはオレンジ色の蛍光、ウィレマイトの緑色の蛍光、エスペライトの黄色の蛍光、および珪灰石とクリノヘドライトのオレンジ色の蛍光の原因です。ウラニルカチオン（UO²⁺
_{2 ...}) は、あらゆる濃度で黄緑色の蛍光を発し、オーチュナイトやアンダーソン石などの鉱物の蛍光の原因であり、低濃度ではハイアライト オパールの一部のサンプルなどの材料の蛍光の原因となる。低濃度の三価クロムは、ルビーの赤色蛍光の原因である。二価のユーロピウムは、鉱物蛍石で見られる青色蛍光の原因である。テルビウムやジスプロシウムなどの三価ランタニドは、鉱物蛍石のイットロ蛍石変種が示すクリーミーな黄色の蛍光の主な活性剤であり、ジルコンのオレンジ色の蛍光に寄与している。パウエル石(モリブデン酸カルシウム) と灰重石(タングステン酸カルシウム) は、それぞれ黄色と青色の蛍光を本質的に発する。固溶体中に共存すると、エネルギーは高エネルギーのタングステンから低エネルギーのモリブデンへ伝達され、モリブデンのレベルがかなり低くても、灰重石は青ではなく黄色に発光します。鉄含有量の少ない閃亜鉛鉱（硫化亜鉛）は、さまざまな微量不純物の存在によって、さまざまな色の蛍光や燐光を発します。

原油は、重質油やタールの場合は鈍い茶色、非常に軽質な油や凝縮液の場合は明るい黄色や青みがかった白色まで、さまざまな色で蛍光を発します。この現象は、石油採掘において、掘削片やコアサンプルに含まれる微量の石油を識別するために使用されます。

土壌中の有機物（腐植）の分解によって生成されるフミン酸とフルボ酸も、複雑な分子構造に芳香族環が存在するため蛍光を発することがある。^[66]地下水に溶解したフミン物質は、分光蛍光分析によって検出および特徴付けることができる。^{[67] [68] [69]}

ベンゼンやトルエンに溶解したアントラセンやスチルベンなどの有機（炭素ベース）溶液は、紫外線やガンマ線照射により蛍光を発する。この蛍光の減衰時間はナノ秒のオーダーであり、これは光の持続時間が蛍光物質（この場合はアントラセンまたはスチルベン）の励起状態の寿命に依存するためである。^[71]

シンチレーションとは、粒子（電子、アルファ粒子、イオン、または高エネルギー光子）の通過によって透明な材料内で生成される光の閃光と定義されます。スチルベンとその誘導体は、そのような粒子を検出するためにシンチレーション カウンターで使用されます。スチルベンは、色素レーザーで使用されるゲイン媒体の 1 つでもあります。

大気が高エネルギー電子の衝撃を受けているとき、大気中で蛍光が観測される。自然のオーロラ、高高度核爆発、ロケット搭載電子銃実験などの場合には、形成された分子やイオンが光に対して蛍光反応を示す。^[72]

• ビタミンB2は黄色に蛍光を発します。
• トニックウォーターはキニーネが含まれているため青色に蛍光を発します。
• 蛍光ペンのインクはピラニンの存在により蛍光を発することが多い。
• 紙幣、切手、クレジットカードには蛍光セキュリティ機能が付いていることが多いです。

2020年8月、研究者らは、カチオン性染料とアニオン結合性シアノスターマクロサイクルを混合することで、染料の空間的および電子的分離を介して高蛍光染料の特性の転送を可能にし、これまでで最も明るい蛍光固体光学材料を作成したと報告した。共著者によると、これらの材料は、太陽エネルギーの収穫、バイオイメージング、レーザーなどの分野での用途がある可能性がある。^{[73] [74] [75] [76]}

一般的な蛍光灯は蛍光を利用しています。ガラス管内は部分真空で、少量の水銀が入っています。管内での放電により、水銀原子は主に紫外線を放射します。管の内側には蛍光体と呼ばれる蛍光物質のコーティングが施されており、紫外線を吸収して可視光を再放射します。蛍光灯は白熱灯よりもエネルギー効率に優れています。ただし、従来の蛍光灯のスペクトルは不均一であるため、白熱灯や日光で照らされたときとは特定の色が異なって見える場合があります。水銀蒸気の放出スペクトルは、254 nmの短波紫外線線（これが蛍光体にほとんどのエネルギーを供給）が支配的で、436 nm（青）、546 nm（緑）、579 nm（黄橙色）の可視光線放出が続きます。通常の白色蛍光灯から放出される光の場合、手動分光器を使用して、これらの3つの線を白色連続光に重ねて観察できます。これらの同じ可視線は、三価ユーロピウムと三価テルビウムの輝線を伴い、さらに青色領域の二価ユーロピウムの連続発光を伴い、より良い色再現を目標とする多くのコンパクト蛍光灯や従来のランプで使用されている現代の三色蛍光体システムのより不連続な光放射を構成します。^[77]

蛍光灯は1939年のニューヨーク万国博覧会で初めて一般に公開されました。それ以降の改良は、主に蛍光体の改良、寿命の延長、内部放電の安定化、形状の使いやすさの向上（コンパクト蛍光灯など）でした。一部の高輝度放電（HID）ランプは、さらに優れた電気効率と蛍光体の強化を組み合わせて、より優れた色再現を実現しています。^[78]

白色発光ダイオード（LED）は、1990年代半ばにLEDランプとして利用可能になりました。LEDランプでは、半導体から放出された青色光が小さなチップ上に堆積された蛍光体に当たります。蛍光体を通過し続ける青色光と、蛍光体からの緑から赤の蛍光の組み合わせにより、白色光の純放射が生成されます。^[79]

グロースティックは、化学発光反応からの光を吸収し、異なる色の光を発するために蛍光物質を利用することがあります。 ^[77]

多くの分析手順では、通常単一の励起波長と単一の検出波長を備えた蛍光光度計が使用されます。この方法の感度により、1兆分の1という低い蛍光分子濃度も測定できます。^[80]

アレイ検出器で複数の波長の蛍光を検出し、 HPLCフローから化合物を検出できます。また、化合物または着色試薬が蛍光を発する場合は、TLCプレートを視覚化できます。蛍光は、ボルツマン分布で低エネルギー レベルの原子の比率が大きい場合に最も効果的です。そのため、低エネルギー原子による光子の励起と放出の可能性が高くなり、分析がより効率的になります。

通常、蛍光分析のセットアップには光源が含まれ、光源はさまざまな波長の光を放射します。一般に、適切な分析には単一の波長が必要なので、光を選択的にフィルタリングするために、励起モノクロメータを通過させ、選択した波長をサンプルセルに通します。エネルギーの吸収と再放射の後、ストークスシフトとさまざまな電子遷移により、多くの波長が出現することがあります。それらを分離して分析するために、蛍光放射は発光モノクロメータを通過させ、検出器によって選択的に観察されます。^[81]

レーザーは、ルビー(クロムサファイア)が発する赤い輝き、チタンサファイアの赤外線、または有機染料が発する無限の範囲の色など、特定の材料の蛍光を活性媒体として使用することが最も多い。これらの材料は通常、自然放出と呼ばれるプロセスを通じて蛍光を発する。このプロセスでは、光はあらゆる方向に、多くの場合、一度に多くの個別のスペクトル線で発される。多くのレーザーでは、蛍光媒体は強力な光源にさらされることで「ポンピング」され、分布反転が生成され、その原子の多くが基底状態 (低エネルギー) ではなく励起状態 (高エネルギー) になる。これが発生すると、自然蛍光によって他の原子が同じ方向と同じ波長で光子を放出するように誘導され、誘導放出が発生する。自然蛍光の一部が 2 つのミラーの間に閉じ込められると、媒体の蛍光のほぼすべてが同じ線に沿って放出されるように誘導され、レーザービームが生成される。^[82]

生命科学における蛍光は、一般的に、励起光によるバックグラウンドがない特定の周波数での蛍光発光によって生体分子を追跡または分析する非破壊的な方法として使用されています。これは、比較的少数の細胞成分が自然に蛍光を発するためです（内因性蛍光または自己蛍光と呼ばれます）。実際、タンパク質やその他の成分は、小分子、タンパク質、または量子ドットである可能性のある蛍光染料である外因性蛍光体で「ラベル付け」することができ、多くの生物学的用途で広く使用されています。^{[14] （p  xxvi）}

染料の定量は分光蛍光計で行われ、次のような用途にも使用されます。

• 平面にわたって蛍光強度をスキャンすると、組織、細胞、または細胞内構造の蛍光顕微鏡検査が行われます。これは、抗体を蛍光体で標識し、抗体がサンプル内で標的抗原を見つけられるようにすることで実現されます。複数の抗体を異なる蛍光体で標識すると、1 つの画像 (複数のチャネル) 内で複数のターゲットを視覚化できます。DNA マイクロアレイは、これのバリエーションです。
• 免疫学: 抗体はまず蛍光化学基を結合させることによって調製され、抗体が結合した部位 (例えば、顕微鏡標本上) は蛍光によって確認でき、さらには定量化することもできます。
• FLIM (蛍光寿命イメージング顕微鏡) は、蛍光寿命に影響を与えることで現れる特定の生体分子相互作用を検出するために使用できます。
• 細胞および分子生物学: ImageJ などの専用ソフトウェアを使用して、対象の抗原を選択的に検出するための蛍光標識抗体を使用した共局在の検出。

• FRET (フェルスター共鳴エネルギー移動、蛍光共鳴エネルギー移動とも呼ばれる) は、タンパク質相互作用の研究、特定の核酸配列の検出、バイオセンサーとして使用され、蛍光寿命 (FLIM) は追加の情報レイヤーを提供できます。
• バイオテクノロジー：蛍光を利用したバイオセンサーが、蛍光グルコースバイオセンサーとして研究されています。
• 連鎖終結法によるDNAの自動配列決定。4 つの異なる連鎖終結塩基にはそれぞれ固有の蛍光タグが付いています。ラベル付けされた DNA 分子が分離されると、蛍光ラベルが UV 光源によって励起され、放出された光の波長によって分子を終結させる塩基の ID が識別されます。
• FACS (蛍光活性化細胞選別)。さまざまな細胞株 (特に動物組織から分離された細胞株) の分離に使用される重要な細胞選別技術の 1 つです。
• DNA 検出:水溶液中のエチジウムブロマイド化合物は、水によって消光されるため、蛍光がほとんどありません。エチジウムブロマイドの蛍光は DNA に結合すると大幅に増強されるため、この化合物はアガロースゲル電気泳動で DNA 断片の位置を視覚化するのに非常に役立ちます。挿入されたエチジウムは、DNA の塩基対の間にあるときは疎水性環境にあり、挿入されたエチジウムの局所環境から排除された水によって消光から保護されます。エチジウムブロマイドは発がん性がある可能性があります。より安全な代替品は、SYBR グリーン染料です。
• FIG (蛍光画像誘導手術) は、手術中に蛍光を使用して適切に標識された構造を検出する医療用画像技術です。
• 血管内蛍光は、カテーテルベースの医療用画像技術であり、蛍光を利用してアテローム性動脈硬化症や未治癒の血管ステントデバイスなどの高リスクの特徴を検出する。^{[83]プラーク自己蛍光は}、光干渉断層撮影と組み合わせて冠動脈における初めてのヒト研究で使用されている。^{[84]分子薬剤は、ステント}フィブリン蓄積や動脈炎症に関連する酵素活性などの特定の特徴を検出するためにも使用されている。^[85]
• SAFI（種改変蛍光イメージング）は、電気運動学およびマイクロ流体工学におけるイメージング技術である。^[86]これは、対象の化学種が移動することによって蛍光が容易に消光される非電気移動性染料を使用する。染料は通常、流体のあらゆる場所に散布され、分析対象物による蛍光の消光差が直接観察される。
• 毒性化学物質をスクリーニングするための蛍光ベースのアッセイ。光学アッセイは、環境に敏感な蛍光染料と蛍光スペクトルパターンを生成するヒト皮膚細胞の混合物で構成されています。^{[87]このアプローチにより、生物医学研究や製薬業界における}実験動物の必要性を減らすことができます。
• 骨縁検出：アリザリン染色標本や特定の化石は蛍光灯で照らすと骨縁などの解剖学的構造を観察することができます。^[88]

指紋は、ニンヒドリンや DFO ( 1,8-ジアザフルオレン-9-オン)などの蛍光化合物で視覚化できます。血液やその他の物質は、フルオレセインなどの蛍光試薬で検出されることがあります。法医学やさまざまな収集品との関連で遭遇する可能性のある繊維やその他の物質は、蛍光を発することがあります。

蛍光浸透探傷検査は、部品の表面のひび割れやその他の欠陥を見つけるために使用されます。蛍光染料を使用した染料トレーシングは、液体およびガス配管システムの漏れを見つけるために使用されます。

蛍光色は標識、特に道路標識によく使われます。蛍光色は一般に非蛍光色よりも長い距離から認識されやすく、特に蛍光オレンジは目立ちます。^[89]この特性から、安全標識やラベルによく使われています。

蛍光化合物は布地や紙の外観を良くするためによく使用され、「白色化」効果をもたらします。蛍光増白剤で処理された白い表面は、その表面で光っている光よりも多くの可視光を放射し、より明るく見えます。蛍光増白剤から放射される青色光は、処理された材料の減少する青色を補い、色相を黄色や茶色から白色へと変えます。蛍光増白剤は、洗濯用洗剤、高輝度紙、化粧品、高視認性衣類などに使用されています。

• 蛍光の物語。レイテック インダストリーズ。1965 年。

• Fluorophores.org、蛍光染料のデータベース
• FSU.edu、蛍光の基本概念
• デイビッド・ジェイムソンによる「蛍光のナノ史」講演
• 各種蛍光色素の励起および発光スペクトル
• 写真、活性剤、スペクトルを含む蛍光鉱物のデータベース (fluomin.org)
• 「バイオ蛍光ナイトダイブ - ダハブ/紅海（エジプト）、マスバット湾/マシュラバ、「ローマンロック」」。YouTube。2012 年 10 月 9 日。
• Steffen O. Beyer. 「FluoPedia.org: 出版物」. fluopedia.org.
• Steffen O. Beyer. 「FluoMedia.org: 科学」. fluomedia.org.