Podstawą fluorescencyjnej metody detekcji czynników biologicznych jest zjawisko luminescencji. Po zaabsorbowaniu energii (np. promieniowania optycznego – w szczególności laserowego) przez atomy lub cząsteczki badanej substancji następuje emisja tego promieniowania w czasie nie krótszym niż 10-10 s, zjawisko to nazywane jest luminescencją.
Każda cząsteczka posiada określony układ poziomów elektronowych, oscylacyjnych i rotacyjnych. Cząsteczka znajdująca się w stanie podstawowym może przejść do stanu wzbudzonego w wyniku absorpcji promieniowania. Cząsteczka w stanie wzbudzonym dąży do osiągnięcia stanu w którym energia całkowita przyjmuje wartość minimalną.
Po wzbudzeniu nadmiar energii może zostać uwolniony poprzez emisję fotonów (luminescencję) o energii równej odległości pomiędzy pasmami energetycznymi lub w procesach bezpromienistych, przykładowo poprzez oddanie energii do sieci krystalicznej w postaci fononu.
Widmo fluorescencji przesunięte jest względem widma promieniowania absorbowanego (w kierunku fal o większych długościach fal). Wyemitowany foton przy przejściu ze stanu wzbudzonego do stanu podstawowego ma więc energię mniejszą niż foton wzbudzający, a widmo fluorescencji przesuwa się w stronę fal dłuższych.
Obecne w drobnoustrojach fluorofory pod wpływem promieniowania UV wykazują dwa charakterystyczne pasma emisji. Pierwsze pasmo charakteryzujące się większą intensywnością, związane jest z obecnością związku – tryptofanu (Trp). Maksimum wzbudzenia tego związku przypada w obszarze 280 nm, wzbudzenie natomiast w obszarze 330 nm. Drugie pasmo związane jest z fluorescencją zredukowanego dinukleotydu nikotynoamidoadeninowego (NADH). Jest to związek występujący w aktywnych metabolicznie bakteriach. Maksimum wzbudzenia znajduje się w obszarze około 330 i emisja natomiast w obszarze około 440 nm. Podobna charakterystyka spektralna występuje w przypadku badania bakteryji. Fakt tez związany jest z obecnością kwasu dipikolinowego (DPA). Związek ten jest charakterystyczny dla endospor (nie występuje w komórkach wegetatywnych) i warunkuje zwiększenie ich odporności na ogrzewanie i promieniowanie UV.
Pierwszym etapem prowadzącym do opracowania urządzeń wykrywających potencjalne czynniki zagrożenia biologicznego jest tworzenie fluorescencyjnej bazy danych dla rożnych materiałów. Matryce wzbudzeniowo-emisyjne są rodzajem odcisku palca cząsteczek biologicznych. Dopiero na tej podstawie możliwy jest optymalny dobór długości fali wzbudzenia i emisji oraz zaprojektowanie systemu wykrywania aerozoli biologicznych.
W celu poprawnej detekcji substancji biologicznych budowany miniaturowy sygnalizator powinien dokonywać analizy następujących własności materiału biologicznego:
- rozmiar aerozolu,
- kształt cząstek (owalny, okrągły, nieregularny),
- luminescencji w dwóch lub czterech kanałach.
Obszary zastosowań:
- Wykrywanie niebezpiecznych substancji biologicznych (np. BIODES, SmartBio Sensor)
