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蛍光体（または蛍光色素、発色団と同様）は、光励起によって光を再放出できる蛍光性化合物です。蛍光体は通常、複数の芳香族基が結合したもの、または複数のπ結合を持つ平面または環状分子を含んでいます。[ 1 ]
蛍光色素は、単独で使用される場合もあれば、体液中のトレーサーとして、特定の構造を染色するための色素として、酵素の基質として、あるいはプローブや指示薬（蛍光が極性やイオンなどの環境要因によって影響を受ける場合）として使用される場合もあります。より一般的には、蛍光色素は高分子に共有結合し、親和性または生物活性を持つ試薬（抗体、ペプチド、核酸）のマーカー（または色素、タグ、レポーター）として機能します。蛍光色素は、蛍光イメージングや分光法など、さまざまな分析方法において、組織、細胞、または材料を染色するために特に使用されています。
フルオレセインは、アミン反応性イソチオシアネート誘導体であるフルオレセインイソチオシアネート（FITC）を介して、最も人気のある蛍光色素の1つとなっています。抗体標識から始まり、カルボキシフルオレセインのおかげで核酸への応用が広がっています。歴史的に一般的な他の蛍光色素としては、ローダミン（TRITC）、クマリン、シアニンの誘導体があります。[ 2 ]新しい世代の蛍光色素は、多くが特許で、同等の励起と発光を持つ従来の色素よりも光安定性が高く、明るく、 pH感受性が低いなど、多くの場合、より優れた性能を発揮します。[ 3 ] [ 4 ]
蛍光体は特定の波長の光エネルギーを吸収し、より長い波長の光を再放出します。吸収される波長、エネルギー伝達効率、および放出までの時間は、蛍光体の構造と化学環境の両方に依存します。これは、励起状態の分子が周囲の分子と相互作用するためです。最大吸収波長（≈励起波長）と最大放出波長（例えば、吸収/放出 = 485 nm/517 nm）は、特定の蛍光体を表す際によく用いられる用語ですが、スペクトル全体を考慮することも重要です。励起スペクトルは、非常に狭い帯域または広い帯域である場合もあれば、カットオフレベルを超える帯域全体である場合もあります。放出スペクトルは通常、励起スペクトルよりもシャープで、波長が長く、エネルギーが低くなります。励起エネルギーは紫外線から可視光まで、放出エネルギーは可視光から近赤外領域まで及ぶ場合があります。
蛍光体の主な特徴は以下のとおりです。
これらの特性は、光退色や光抵抗（連続光励起による蛍光の消失）など、他の特性にも影響を与えます。蛍光色素分子の極性、蛍光色素のサイズと形状（偏光蛍光パターンなど）、その他の要因も蛍光色素の挙動に影響を与える可能性があるため、これらのパラメータも考慮する必要があります。
蛍光色素は、他の蛍光色素の蛍光を消光したり、さらに長波長の蛍光を伝達したりするためにも使用できる。
ほとんどの蛍光体は20～100個の原子からなる有機小分子（200～1000ダルトン、グラフト修飾や共役分子によっては分子量がさらに高くなる場合もある）ですが、タンパク質であるはるかに大きな天然蛍光体も存在します。緑色蛍光タンパク質（GFP）は27 kDa 、いくつかのフィコビリタンパク質（PE、APCなど）は約240 kDaです。2020年現在、知られている最小の蛍光体は、14個の原子からなるわずか123 Daの化合物である3-ヒドロキシイソニコチンアルデヒドであるとされています。[ 8 ]
量子ドット（直径2～10 nm、原子数100～100,000個）のような蛍光粒子 も蛍光体とみなされる。[ 9 ]
蛍光色素のサイズによっては、標識分子の立体障害を引き起こし、蛍光の極性に影響を与える可能性がある。
蛍光分子は単独で使用することも、機能システムの蛍光モチーフとして使用することもできます。分子の複雑さと合成方法に基づいて、蛍光分子は一般的に、タンパク質とペプチド、小さな有機化合物、合成オリゴマーとポリマー、および多成分システムの4つのカテゴリーに分類できます。[ 10 ] [ 11 ]
蛍光タンパク質であるGFP、YFP、RFP（それぞれ緑色、黄色、赤色）は、適切なプラスミドキャリアを細胞に導入した後、細胞内で合成される他の特定のタンパク質に結合させて融合タンパク質を形成することができる。
非タンパク質性有機蛍光体は、以下の主要な化学ファミリーに属します。
これらの蛍光体は、バンドを飛び越えて吸収エネルギーを安定化できる非局在化電子によって蛍光を発します。例えば、最も単純な芳香族炭化水素の1つであるベンゼンは、254 nmで励起され、300 nmで発光します。[ 12 ]これにより、蛍光体と蛍光半導体ナノ粒子である量子ドットを区別することができます。
これらは、アミノ基（活性エステル、カルボキシレート、イソチオシアネート、ヒドラジン）、カルボキシル基（カルボジイミド）、チオール基（マレイミド、アセチルブロミド）、有機アジド（クリックケミストリーまたは非特異的に（グルタルアルデヒド））などの特定の官能基にタンパク質に結合させることができます。
さらに、溶解性などの特性を変化させたり、糖に結合するボロン酸や特定の陽イオンに結合する複数のカルボキシル基などの特殊な特性を付与するために、さまざまな官能基が存在する場合があります。染料が芳香族系の両端に電子供与基と電子受容基を含む場合、この染料は環境の極性に敏感（溶媒和発色性）になり、そのため環境感受性と呼ばれます。染料はしばしば細胞内で使用されるが、細胞は荷電分子を透過しないため、その結果、カルボキシル基はエステルに変換され、細胞内のエステラーゼによって除去されます（例：fura-2AM、フルオレセインジアセテート）。
以下の染料ファミリーは商標グループであり、必ずしも構造的な類似性を持つとは限りません。
略語:
StayGoldとmStayGoldは、生細胞イメージングの分野に大きく貢献してきた先進的な蛍光タンパク質です。高い光安定性と輝度で知られるStayGoldは、もともと二量体蛍光タンパク質として設計されましたが、効果的ではあったものの、凝集や標識精度に関する課題がありました。[ 15 ]これらの制限に対処するため、mStayGoldは単量体変異体として設計され、精密なタンパク質標識における有用性を高めました。mStayGoldは優れた光安定性を示し、高照度条件下でも蛍光を維持し、以前の変異体StayGoldと比較して輝度が向上しています。さらに、成熟が速いため、トランスフェクション後のイメージングを迅速に行うことができます。これらの進歩により、mStayGoldは、単一分子追跡や動的な細胞プロセスの高解像度イメージングなど、さまざまな用途に使える汎用性の高いツールとなり、生物学研究における蛍光タンパク質の可能性を広げています。[ 16 ]
略語:
蛍光色素は、生化学やタンパク質研究の分野で特に重要であり、例えば、免疫蛍光、細胞分析[ 17 ] 、免疫組織化学[ 3 ] [ 18 ]、および小分子センサー[ 19 ] [ 20 ]などが挙げられる。
蛍光色素は、生化学、分析化学、材料科学、ナノ化学などのさまざまな分野で、さまざまな方法で、また多くの種類の用途でポリマーとともに使用されてきました。たとえば、5,6-カルボキシフルオレセインで標識されたペプチド-RAFT剤は、さまざまなサイズのポリマーの細胞内取り込みの分析への応用が可能なポリアクリルアミド、ポリアクリレート、ポリスチレンの合成に使用されています[ 21 ]。蛍光ポリエチレンなどの蛍光ポリオレフィンは、蛍光プローブ、 LED、情報ストレージおよび暗号化デバイス、細胞イメージング、プラスチックの選別、リサイクルプラスチックの定量化への応用が可能なため、材料として合成され、研究されています[ 22 ]。
蛍光染料は産業界で幅広く使用されており、「ネオンカラー」という名称で知られています。例えば、以下のようなものがあります。