طیف بینی فلوئورسانس مولکولی، اسپکتروفلوئورسانس

طیف­ بینی فلوئورسانس مولکولی، اسپکتروفلوئورسانس

تعداد زیادی از مواد، تابش فرابنفش یا مریی را جذب می ­کنند، اما انرژی جذب شده را به صورت گرما در اثر برخورد به اتم­ها یا مولکول­های همسایه از دست داده و به حالت پایه باز می­ گردند. تعداد دیگری از مواد که تعدادشان کم است، فقط بخشی از انرژی جذب شده را به صورت گرما از دست می­ دهند و بخش عمده آن را به صورت تابش الکترومغناطیس با طول موج بزرگ­تر از طول موج فوتون جذب شده از دست می­ دهند. این فرآیند تابش­ دهی، به نورتابانی معروف است. در فرآیند نورتابانی، نور در دمای کم ایجاد می­ شود، بنابراین، نور تولید شده به این طریق، به نور بدون گرما یا نور سرد معروف است. فرآیند نورتابانی را می­ توان به سه دسته، فلوئورسانس، فسفرسانس و نورتابی شیمیائی دسته­ بندی کرد.

 

فلوئورسانس

وقتی تابش به برخی از مواد برخورد کند، از خود تابش مریی نشر می ­کند. این پدیده به فلوئورسانس و ماده­ای که چنین پدیده­ای را نشان می ­دهد ماده فلوئورسانس­ کننده معروف است. پدیده فلوئورسانس سریع و هم­زمان است، به طوری که بلافاصله بعد از جذب نور شروع و بلافاصله بعد از قطع تابش ورودی خاموش می ­شود.

 

اصول فلورسانس و فسفرسانس­

حالت­های یک­ تایی و­سه­ تایی: به منظور درک تئوری فلوئورسانس و فسفرسانس، قواعد گزینش و درک مفاهیم حالت­های یک­ تایی و سه ­تایی حائز اهمیت است. این واژه ­ها از مفهوم چندگانگی مربوط به جمله ­های طیفی راسل – ساندرز (۲S+1) ناشی می­ شوند، که به تعداد الکترون­های منفرد در غیاب میدان مغناطیسی مربوط است. که S عدد کوانتومی اسپین الکترون است. اگر مولکولی هیچ الکترون جفت نشده نداشته باشد، چندگانگی آن یک است و حالت آن یک­ تایی است. به همین طریق سیستم ­هایی با تعداد۱، ۲، ۳، ۴ و غیره الکترون جفت نشده به ترتیب دارای حالت دوتایی، سه ­تایی، چهارتایی، پنج­ تایی  و… هستند.

اکثر مولکول­ها در حالت پایه الکترون جفت نشده  ندارند، لذا حالت یک ­تایی دارند. وقتی این مولکول­ها نور فرابنفش یا مریی را جذب کنند، یک یا چند تا از الکترون­های منفرد (معمولاً الکترونهای π) به ترازهای انرژی بالاتر می­ روند. اگر در این انتقال اسپین الکترون  تحریک شده تغییر نکند حالت برانگیخته یک­ تایی ایجاد می ­شود. ولی اگر در ضمن انتقال جهت اسپین الکترون هم عوض شود، حالت برانگیخته سه­ تایی ایجاد می­ شود (شکل ۱).  مطابق یکی از قواعد گزینش، انتقالی از نظر طیف­ سنجی مجاز است که ضمن انتقال تغییر در اسپین اتفاق نیافتد (ΔS = 0). بنابراین، انتقال از حالت یک ­تایی به سه­ تایی و بر عکس، غیر مجاز بوده و با شدت کم اتفاق می ­افتد.

شکل ۱- آرایش الکترونی مولکولی در حالت­های یک ­تایی و سه ­تایی.

 

فرآیند حالت برانگیخته در مولکول­ها

وقتی مولکولی در معرض نور قرار بگیرد، در زمان کوتاهی (در حدود ۱۵-۱۰ ثانیه) فرکانس مطلوب را جذب می­ کند. در نتیجه، مولکول از حالت پایه به یکی از حالت­های برانگیخته یک تایی تحریک می­ شود. اگرچه مولکول در حالت پایه و در دمای محیط ممکن است در تراز ارتعاشی پایه خود باشد، ولی بعد از تحریک می ­تواند در هر یک از ترازهای ارتعاشی حالت تحریک شده یک ­تایی خود قرار بگیرد. مولکول تحریک شده عمر کوتاهی دارد و به طرق مختلف به حالت پایه برمی ­گردد. در شکل (۲) دیاگرام سطوح انرژی برای مولکولی که خاصیت نورتابی دارد نشان داده شده است. پایین ­ترین خط پررنگ افقی سطح انرژی حالت پایه را نشان می­ دهد که یک­  تایی است و با S0 علامت‌گذاری شده است. سه خط پررنگ در سطوح انرژی بالاتر ترازهای ارتعاشی پایه مربوط به سه حالت تحریک شده الکترونی را نشان می­ دهد. که S1 و S2 مربوط به اولین و دومین حالت برانگیخته یک‌تایی و T1 مربوط به اولین حالت برانگیخته سه ­تایی است.

شکل ۲- دیاگرام سطوح انرژی برای یک سیستم دارای خاصیت نورتابانی فوتونی.

 

در هریک از چهار تراز الکترونی نشان داده شده در شکل (۲) چندین تراز ارتعاشی وجود دارد که با خطوط افقی کم رنگ نشان داده شده ­اند. سیستم تحریک شده، به طرق مختلفی آسایش پیدا کرده و در نهایت به حالت پایه باز می­ گردد. همان‌طور که در شکل (۲) مشاهده می­ شود، در ترازهای ارتعاشی، با آسایش ارتعاشی و از دست دادن انرژی  به صورت گرما پایدارتر می­ شود. سپس مولکول از حالت برانگیخته یک ­تایی بستگی به ساختار مولکولی و شرایط عملیاتی به یکی از سه پدیده زیر آسایش می­ یابد.

(الف) چون سیستم در حالت برانگیخته یک­ تایی نسبتا ناپایدار است، با  برخورد به یکدیگر غیر فعال شده و بدون نشر تابش به حالت پایه بر می ­گردد. این آسایش در شکل (۲) به صورت خط پر رنگ مارپیچی نشان داده شده است.

(ب) در احتمال دوم  سیستم با فرآیند تبدیل درونی از حالت برانگیخته یک­ تایی پرانرژی ­تر به حالت یک­ تایی کم ­انرژی ­تر آسایش یافته سپس با نشر فوتون فرابنفش یا مرئی به صورت فلوئورسانس به حالت پایه آسایش پیدا می­ کند. چون طبق قواعد انتخاب، انتقال از حالت یک ­تایی به یک­ تایی مجاز است، پدیده فلوئورسانس در زمان کوتاهی و با شدت قابل ملاحظه­ ای اتفاق می­ افتد. اگر طیف جذبی و فلوئورسانس یک ترکیب با هم مقایسه شوند، هیچ هم­پوشانی درآن­ها مشاهده نخواهد شد و آن­ها مثل تصویر آئینه ­ای یکدیگرند، که طیف فلوئورسانس در طول موج­های بلند­تر قرار دارد.

(ج) در احتمال سوم، سیستم از حالت تحریک شده یک­ت ایی نسبتا پایدار با فرآیند عبور بین سیستمی به حالت تحریک شده سه­ تایی انتقال یافته، سپس با نشر فوتون فرا­بنفش یا مریی تحت عنوان نشر فسفرسانس به حالت پایه بر می­ گردد. مطابق قوانین انتخاب، انتقال از حالت سه­ تایی ممنوع است و به همین دلیل پدیده فسفرسانس آهسته انجام می­ شود. عمر آن خیلی بیشتر از فلوئورسانس است. مطابق اصل هوند، تراز انرژی سه­ تایی، همیشه پایین ­تر از تراز انرژی حالت یک­ تایی مربوط به آن قرار دارد. به همین دلیل، طیف فسفرسانس تصویر آئینه­ ای طیف جذبی مربوطه نیست و همیشه در طول موج­های بلندتر از طیف جذبی و فلوئورسانس ظاهر می­ شود. طیف سه نوع نورتابی فوتونی شامل نشر، فلوئورسانس و فسفرسانس برای مولکول فنانترن در شکل (۳) مقایسه شده است.

شکل ۳- مقایسه طیف نشری، فلوئورسانس و فسفرسانس برای مولکول فنانترن.

 

دستگاه­های فلوئورسانس مولکولی­

دستگاه­هایی که برای اندازه ­گیری فلوئورسانس استفاده می­ شوند، یا فلوئورسانس ­سنح یا فلوئوریمتر و یا طیف ­نور­سنج فلوئورسانس یا اسپکتروفلوئوریمتر هستند. در فلوئورسانس­ سنج­ها، برای جدا کردن طول موج­ها از صافی­ ها استفاده شده، ولی طیف ­نورسنج­های فلوئورسانس مانند طیف­ نور­سنج­های فرابنفش – مریی بوده و برای تفکیک طول موح­ها، از تکفام­سازها در آن­ها استفاده می ­شود.

 

فلوئورسانس­ سنج­ها        

فلوئورسانس ­سنج دستگاهی دستی است و برای استفاده در چند طول موج مناسب به کار می ­رود، زیرا برای یک آنالیت خاص در هر زمان باید صافی آن تغییر داده شود. این دستگاه­ها مشابه نورسنج­های جذبی هستند و در آن­ها نمونه در معرض تابش قرار گرفته و سپس شدت تابش ترک شده از نمونه اندازه­ گیری می­ شود. در اکثر فلوئورسانس­ سنج­ها، تابش ­دهی نمونه در زاویه­ قائمه نسبت به جهت مشاهده­ تابش انجام می­ شود.

در شکل (۴)، طرح ساده ­ای از یک دستگاه فلوئورسانس­ سنج تک­ پرتوی نشان داده شده است. در این دستگاه، از لامپ بخار جیوه به عنوان منبع تابش استفاده شده است. علاوه بر منبع تابش، اجزای مهم دیگری مانند عدسی­ های متمرکز کننده­ تابش، صافی اولیه ( به صورت ۹۰ درجه نسبت به نشر فلوئورسانس)، جایگاه نمونه، صافی ثانویه و لوله­ فوتوتکثیرکننده، اجزای اصلی این دستگاه هستند که در شکل مشاهده می­ شوند. به طور کلی، صافی اولیه برای گزینش تابش فرابنفش و جذب تابش مریی استفاده می­ شود، در حالی که صافی ثانویه برای عبور دادن تابش فلوئورسانس مریی و جذب تابش فرا بنفش ورودی استفاده می ­شود.

تابش حاصل از لامپ بخار جیوه پس از عبور از درون عدسی متراکم کننده به صافی اولیه می­ رسد. صافی اولیه تابش مریی را جذب و تابش فرا بنفش را عبور داده که به نمونه برخورد می­ کند. سپس از نمونه تابش فلوئورسانس و فرا بنفش خارج و از درون صافی ثانویه عبور کرده که در نتیجه تابش فرا بنفش جذب و تابش فلوئورسانس وارد لوله­ فوتوتکثیرکننده می­ شود. خروجی از فوتوتکثیرکننده با یک گالوانومتر حساس یا وسیله­ دیگر اندازه ­گیری می ­شود.

شکل ۴- طرح ساده ­ای از یک فلوئورسانس­ سنج تک­ پرتوی.

 

یک فلوئورسانس­ سنج دوپرتوی نیز در شکل (۵) نشان داده شده است. در این دستگاه از یک لامپ بخار جیوه­ مخصوص استفاده شده است. این لامپ دارای دو آند در دو طرف، نسبت به مرکز لامپ و در جهت­ های ضد هم است و با جریان متناوب کار می­ کند. تابش ­های ایجاد شده در هر دو آند این لامپ، کاملا شبیه یکدیگر ­است و یکی از آن­ها به نمونه و دیگری به مرجع برخورد می­ کند. هر دو تابش­ ابتدا از درون دو صافی­ اولیه عبور کرده و به­ طور هم­زمان وارد نمونه و شاهد می­ شود. سپس تابش فلوئورسانس شده از نمونه و شاهد، وارد یک صافی ثانوی شده و سپس به درون لوله­ فوتوتکثیرکننده می ­رسد. لوله­ فوتوتکثیرکننده، نسبت دو علامت فلوئورسانس را ثبت می ­کند. چنین سیستمی، برای به حداقل رساندن تاثیر درجه حرارت، نوسانات منبع و آشکارساز بسیار موثر است.

شکل ۵- طرح ساده­ یک فلوئورسانس ­سنج دو پرتوی

 

اسپکترو فلوئورسانس سنج

طرح ساده ­ای از یک طیف­ نورسنج فلوئورسانس در شکل (۶) دیده می­ شود. این یک دستگاه تک پرتوی است و در آن از دو شبکه­ پراش که زاویه­ ۹۰ درجه با یکدیگر دارند، استفاده شده است. در این طیف­ نورسنج فلوئورسانس، از لامپ زنون با فشار زیاد به عنولن منبع استفاده شده است. تابش ایجاد شده از منبع پس از عبور از دریچه ­های ورودی، به تکفام ساز برانگیختگی رسیده و طول موج تحریک کننده جدا می­ شود. سپس تابش تکفام انتخاب شده از دریچه‌های محفظه­ نمونه عبور کرده و به نمونه برحورد می ­کند. تابش فلوئورسانس نشر شده از نمونه، جایگاه نمونه را ترک کرده و با زاویه قائمه نسبت به تکفام­ساز برانگیختگی، وارد تکفام­ساز نشری می­ شود. سپس تابش فلوئورسانس تکفام شده، پس از عبور از دریچه‌های خروجی وارد آشکارساز فوتوتکثیرکننده می­ شود. خروجی حاصل از فوتوتکثیرکننده، بعد از تقویت در سنجنده­ علامت، اسیلوسکوپ یا ثبات نشان داده می­ شود.

شکل ۶- طرح ساده ­ای از یک طیف­ نورسنج فلوئورسانس.

 

طیف­نورسنج فلوئورسانس شرح داده شده در شکل (۶) برای تشخیص و اندازه­ گیری مقادیر کم مواد آلی و معدنی استفاده می­ شود.

 

 

منبع: کتاب اسپکتروسکوپی تجزه ای ۲، تألیف دکتر محمود پایه قدر

انتشارات سرافراز ، شیمی تجزیه ۳ ، روش های آنالیز دستگاهی ، اسپکتروسکوپی تجزیه ای ۲

استفاده از مطالب با ذکر منبع بلامانع است

 

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد.