فلورسانس چیست ؟ از آن چه می دانید ؟

در علم شیمی فلورسانس یا فلوئورسانس (Fluorescence) به پدیده ای گفته می شود که در طی آن، یك ماده خاص (فسفر) بعد از قرار گرفتن در مقابل تابش یا حرارت، تحریك می شود (زمان تحریک کمتر از ^۸–۱۰ ثانیه) و انرژی دریافتی را در خود ذخیره می كند. در نهایت آن انرژی را به شکل طیفی از امواج مرئی منتشر می كند. توجه داشته باشید که پدیده فلورسانس سریع و هم زمان می باشد. در واقع بلافاصله بعد از جذب نور آغاز و با قطع تابش ورودی سریع خاموش می گردد. به ماده ای که بتواند چنین پدیده ای را نشان دهد، ماده فلورسانس کننده می گویند. در ادامه این مقاله در نشریه جهان شیمی فیزیک به بررسی فلورسانس و انواع مختلف آن پرداخته می شود. لطفا با ما همراه باشید.

 

فهرست مطالب این مقاله

۱- فرآیند نورتابانی

۲- حالت های برانگیخته الکترونی

۳- فلورسانس و انواع آن

۴- طیف سنجی فلورسانس

۱-۴- نکات آنالیزی طیف سنجی فلوئورسانس

۵- دستگاهوری طیف سنجی فلورسانس

۶- کاربرد های فلورسانس

 

فرآیند نورتابانی

بسیاری از مواد شیمیایی، تابش های فرابنفش یا مرئی را جذب می کنند. این مواد انرژی جذب شده را به دلیل برخورد به سایر اتم ها یا مولکول ها به صورت گرما از دست می دهند و در نهایت به حالت پایه باز می گردند. در حالیکه تعداد کمی از مواد، بخش عمده از انرژی جذب شده را به صورت تابش الکترومغناطیس (با طول موجی بزرگتر از طول موج فوتون جذب شده) از دست می دهند و مابقی آن به صورت گرما آزاد می گردد. به این فرآیند تابش دهی، نورتابانی می گویند. در فرآیند نورتابانی، نور در دمای پایین ایجاد شده است. به نور تولید شده به این روش، نور بدون گرما یا نور سرد گفته می شود. فرآیند نورتابانی را به سه دسته، فلوئورسانس، فسفرسانس و نورتابی شیمیائی می توان تقسیم کرد.

 

حالت های برانگیخته الکترونی

به منظور درک بهتر فلوئورسانس، درک مفاهیم حالت های یک تایی، سه تایی و قواعد گزینش اهمیت دارد. الکترون نیز مانند ذرات بارداری دیگری که حول یک محور می چرخند، یک میدان مغناطیسی به دور خود ایجاد می کند. بنابراین بر اساس مکانیک کوانتوم یک اسپین ظاهری برای الکترون در نظر گرفته می شود که می تواند یکی از دو مقدار ½+ و یا ½- را داشته باشد. همانطور که می دانید، بر طبق اصل طرد پاولی، دو الکترون تنها زمانی می توانند در یک اوربیتال کنار هم قرار بگیرند که اسپین مخالف داشته باشند.

توجه داشته باشید که واژه های یک تایی و سه تایی از مفاهیم چندگانگی مربوط به جملات طیفی راسل– ساندرز (۲s + 1) که در آن، s عدد کوانتومی اسپین الکترون می باشد، ناشی می شوند. در واقع در حالت یک تایی، اسپین الکترون ها جفت شده است و اسپین هر دو الکترون مخالف هم می باشد. بیشتر مولکول ها در حالت پایه خود الکترون جفت نشده ندارند، پس این مولکول ها در حالت یک تایی قرار گرفته اند. زمانیکه این مولکول ها در معرض نور فرابنفش یا مرئی قرار بگیرند، یک یا چند تا از الکترون های منفرد آنها (الکترون های π) به تراز انرژی بالاتر جهش می کنند. از این رو در حالت های برانگیخته الکترونی، دو دسته یکتایی (Singlet) و سه تایی (Triplet) خواهید داشت.

حال اگر در طی انتقال به تراز انرژی بالاتر، اسپین الکترون تحریک شده ثابت بماند و تغییری نکند، حالت برانگیخته یک تایی ایجاد می گردد. به بیان دیگر، جفت بودن اسپین الکترون در حالت برانگیخته و اسپین الکترون در حالت پایه حفظ شده است. در حالیکه اگر در طی انتقال، جهت اسپین الکترون تغییر کرده باشد، حالت برانگیخته سه تایی ایجاد شده است.

 

جالب است بدانید که

در حالت یکتایی، اسپین کل با توجه به مخالف بودن جهت اسپین الکترون های حالت پایه و برانگیخته صفر است. اما در حالت سه تایی، اسپین الکترون برانگیخته با اسپین الکترون پایه هم جهت می شود، از این رو اسپین کل صفر نخواهد بود. مطابق با قواعد گزینش، از نظر طیف سنجی انتقالی مجاز خواهد بود که طی آن، تغییری در اسپین رخ ندهد (ΔS = 0). از این جهت، انتقال از حالت یک تایی به سه تایی و یا بر عکسش، غیر مجاز می باشد و در حقیقت با شدت کم رخ می دهد.

 

فلورسانس و انواع آن

لازم به ذکر است که فلورسانس یکی از انواع فوتولومینسانس می باشد. واژه لومینسانس (luminescence) از کلمه یونانی “لومینوس” به معنای درخشان گرفته شده است و در لغت به معنی شب‌ تابی، نورتابی یا تابناک است. در فوتولومینسانس، اتم ها یا ملکول ها تابش الکترومغناطیس را جذب کرده و برانگیخته می شوند. در بازگشت از حالت برانگیخته به حالت پایه، انرژی اضافی را به شکل فوتون از دست می دهند. فلوئورسانس در سیستم‌ های ساده و پیچیده شیمیایی در حالت های گاز، مایع یا جامد بوقوع می ‌پیوندد.

توجه داشته باشید که برانگیختگی در فلوئورسانس میان دو تراز اصلی انرژی E_۱ و E_۲ انجام می شود. جابجایی بین این دو تراز كاملا آزاد می باشد. در واقع الكترون با دریافت انرژی، برانگیخته می شود و به تراز انرژی E_۲ جهش می کند. بعد از گذشتن ۸ تا ۱۰ ثانیه، فوتونی با انرژی E_۲– E_۱ تابش نموده و دوباره به تراز اول بر می گردد. در فلوئورسانس، با قطع پرتو تابش، الکترون ها بلافاصله و به سرعت به تراز اولیه خود بر می گردند، در نتیجه تابش آن ها قطع می گردد.

 

انواع فلورسانس

به طور کلی فلوئورسانس به دو دسته اتمی و ملکولی تقسیم بندی می شود. در روش فلورسانس اتمی، نشر نور از اتم های برانگیخته صورت می گیرد، در حالیکه در فلورسانس ملکولی از ملکول های برانگیخته انجام می شود. دستگاه فلورسانس اتمی دارای انواع مختلفی می باشد که عبارتند از:

• فلورسانس خط مستقیم (Direct-line Fluorescence)
• فلورسانس رزونانسی (Resonance Fluorescence)
• فلورسانس پله ای یا گام به گام (Stepwise-line Fluorescence)
• فلورسانس حساس (Sensitized Fluorescence)
• فلورسانس چند فتونی (Multiphoton Fluorescence)

در حال حاضر فلورسانس رزونانسی به دلیل کمترین میزان تداخل و همچنین ایجاد برانگیختگی انتخابی در الکترون ها، بیشترین کاربرد را دارد. در فلورسانس رزونانسی که ساده ترین نوع فلوئورسانس می باشد، الکترون بعد از نشر نور، به همان تراز اولیه خود بر می گردد. از آنجاییکه در این روش و در هنگام جذب و نشر فوتون، سطوح پایه و برانگیخته یکسان اند، پس طول موج فوتون های جذب شده و نشر شده با یکدیگر برابر خواهند بود. بنابراین در فلوئورسانس رزونانسی هیچگونه انتقال انرژی درونی (مثل هدر انرژی از طریق گرما و یا طرق دیگر) اتفاق نمی افتد. در حالیکه در انواع دیگر فلوئورسانس اتمی، قبل از آنکه الکترون از حالت برانگیخته به حالت پایه برگردد، درون اتم انتقالات انرژی نیز صورت می گیرد.

از طرفی دیگر قابل ذکر است که دستگاه های فلوئورسانس مولکولی که برای اندازه گیری فلورسانس کاربرد دارند عبارتند از : فلورسانس سنح، فلوئوریمتر، طیف نورسنج فلوئورسانس و یا اسپکتروفلوئوریمتر. در دستگاه های فلوئورسانس سنج، برای جدا کردن طول موج ها از صافی استفاده می کنند، اما در طیف نورسنج های فلوئورسانس (مانند طیف نور سنج های فرابنفش – مرئی) از تکفام ساز ها بهره می برند.

 

طیف سنجی فلورسانس

در این طیف سنجی، یک مولکول را بر اساس خواص فلورسنت آن مورد تجزیه و تحلیل قرار می دهند. در ابتدا پرتوی تابش با ماده مورد نظر برخورد می‌ کند. در اثر این برخورد، الکترون ‌های مولکول برانگیخته می گردند. به بیان دیگر، در فلوئورسانس ملکولی نمونه مورد نظر به وسیله یک طول موج جذبی (طول موج تحریک) برانگیخته می شود. از آنجاییکه الکترون ‌های برانگیخته ناپایدارند، پس به حالت پایه باز می‌ گردند و در نتیجه نوری را در طول موج خاص (تابش فوتون‌ هایی با انرژی کمتر و طول موج بلندتر) گسیل می ‌کنند.

توجه داشته باشید که الکترون‌ ها می توانند از هر سطح برانگیخته ای به حالت پایه منتقل شوند. بنابراین، فوتون ‌های منتشر شده انرژی ‌های مختلفی خواهند داشت. از طرفی دیگر، شدت نور گسیل شده به طور کمی با تعداد ذرات ماده فلوروسانس کننده موجود در نمونه متناسب می باشد. پس می توان با تجزیه و تحلیل طول ‌موج‌ های بدست‌ آمده از طیف سنجی فلورسانس و علاوه بر آن، با بررسی شدت نسبی آنها، ساختار سطوح مختلف ارتعاشی نمونه مورد نظر را تعیین کرد. لازم به ذکر است که آنالیز عناصر در فلورسانس اتمی بر پایه اندازه گیری میزان شدت نور گسیل شده به وسیله عنصر صورت می گیرد. طیف سنجی فلوئورسانس به روش ‌های مختلفی انجام می شود که می توان به حالت های زیر اشاره کرد :

• فوتولومینسانس : در این روش، از انرژی نور یا فوتون برای تحریک الکترون‌ ها بهره می برند.
• فوتولومینسانس : در این روش، از طریق انرژی شیمیایی باعث انتشار یک فوتون می شوند.
• الکترولومینسانس : در این روش، انرژی الکتریکی یا یک میدان الکتریکی قوی سبب انتشار یک فوتون خواهد شد.

 

نکات آنالیزی طیف سنجی فلوئورسانس

• طیف سنجی فلوئورسانس بسیار ساده تر از طیف سنجی نشری و جذبی می باشد. در این طیف سنجی، مزاحمت طیفی کمتری وجود دارد.
• گسترده خطی روش طیف سنجی فلوئورسانس مشابه و حتی بیشتر از طیف سنجی نشری و جذبی می باشد. منظور از گسترده خطی، محدوده ای است که شدت نور به شکل خطی با غلظت نمونه تجزیه ای مورد نظر تغییر می کند. اما از طرفی توجه داشته باشید که طیف سنجی فلوئورسانس نسبت به مزاحمت های محیطی حساس تر است.
• حد تشخیص در طیف سنجی فلوئورسانس بسیار پایین می باشد (کمتر از ميكروگرم در ليتر یا نانوگرم در ميلي ليتر).
• طیف سنجی فلوئورسانس روشی بسیار حساس، دقیق و انتخابی در اندازه گیری فلزات مهم بیوزیستی و همچنین محیط زیستی مانند جیوه، سلنیوم، آرسنیک، تالیم، کادمیوم و سرب می باشد. در واقع مزیت آن نسبت به جذب اتمی همین حساسیت بالاتر (دو تا سه برابر بهتر) در اندازه گیری آنالیت می باشد.

 

دستگاهوری طیف سنجی فلورسانس

یک دستگاه فلورسانس از چندین بخش مختلف تشکیل می شود که با هماهنگی کامل با دیگر بخش ها کار می کنند. این بخش ها عبارتند از:

• منبع تابش یا منبع نور دستگاه فلوئورسانس
• صافی ها و تک ‌فام ساز ها
• سلول های استوانه ‌ای و مستطیلی و محفظه‌ های سلول ها
• آشکار ساز یا دتکتور

لازم به ذکر است که دستگاهوری روش طیف سنجی فلوئورسانس اتمی مشابه روش طیف سنجی جذب اتمی می باشد، تنها تفاوت در این دو روش اینست که در روش فلوئورسانس، منبع تابش و آشکارساز در یک راستا قرار ندارند.

 

کاربرد های فلورسانس

طیف سنجی فلوئورسانس به دلیل حساسیت بسیار بالای آن، به عنوان یکی از ابزار های تشخیص در بسیاری از صنایع همانند صنعت شیمی، داروسازی، بهداشت محیط، معدن، بیوشیمی، بیوفیزیک، بیوتکنولوژی، علوم جنایی، تحلیل ژنتیکی، تشخیص‌ های پزشکی، کانی شناسی، گوهر شناسی، زمین شناسی و آب و فاضلاب کاربرد دارد. از جمله این کاربرد ها می توان به موارد زیر اشاره کرد.

 

• در زمینه ‌های بیوشیمی و شیمی جهت تجزیه و تحلیل ترکیبات آلی
• آنالیز عناصر فلزی آب، نفت و نمونه های بیولوژیکی در آزمایشگاه
• در علوم پزشکی جهت تشخیص تومور های بدخیم از خوش خیم پوست
• در صنعت آب و فاضلاب جهت تعیین کیفیت آب و شناسایی آلاینده‌ های آن
• روشی ایمن و بی خطر در صنعت غذا جهت بررسی ایمنی، صحت و کیفیت سنجی مواد غذایی
• روشی جهت تشخیص نگین های طبیعی جواهرات از انواع مصنوعی آن
• روشی جهت تشخیص و تفکیک مروارید های معمولی از مروارید های پرورشی
• روشی جهت اندازه گیری غلظت پایین (ppt) جیوه و عناصر هیدراته همچون کادمیوم، سرب، قلع، بیسموت، آرسنیک، آنتیموان، تلوریم، سلنیوم، روی و ژرمانیم.

 

نکته جالب

از دیگر کاربرد های آن می توان به لامپ های فلوئورسنت (مهتابی) اشاره کرد. در واقع نوری که از لامپ‌ های کم ‌مصرف و لامپ ‌های مهتابی منتشر می‌ شود، از اثرات فلوئورسانس است. شیوه کار در این لامپ ها به این صورت است که یك تخلیه الكتریكی در محیطی از بخار جیوه و یك گاز خنثی مثل آرگون انجام می شود. بر اثر تخلیه انرژی و جذب انرژی، بخار جیوه شروع به تشعشع می كند كه در محدوده طیف UV یا فرا بنفش قرار دارد. در ادامه چند مثال از لامپ های فلوئورسنت را مشاهده می کنید.

 

ماده زمینه	فعال کننده (Activator)	رنگ تشعشع	کاربرد
CaWO۴	Activator بدون	آبی	لامپ آبی
CaWO۴	Pb	آبی کم رنگ	لامپ آبی
BaSi۲O۵	Pb	فرابنفش	لامپ تشعشع طولانی مدت فرابنفش
Zn۲SiO۴	Mn	سبز	لامپ سبز
CaSiO۳	Pb۳Mn	بین زرد و نارنجی	لامپ رنگی با کیفیت بالا
Cd۲B۲O۵	Mn	زرد	لامپ ترنر