فلورسانس چیست؟ – به زبان ساده

مقدمه ای بر فلورسانس

تاریخچه فلورسانس

خواص فیزیکی فلورسانس

• برانگیختگی: $${\displaystyle S_{0}+h\nu _{ex}\to S_{1}}$$
• تابش فلورسانس: گرما $${\displaystyle S_{1}\to S_{0}+h\nu _{em}+{\text{}}}$$

فیلم آموزش شناسایی و تعیین ساختار نانومواد 1 در فرادرس

کلیک کنید

باندهای فلورسنت، طول موجی بلندتر از خط رزونانس دارند. این جابجایی به سمت طول موج بلندتر، موسوم به «جابجایی استوکس» (Stokes Shift) است. حالات برانگیخته، عمر کمی در حدود $$10 ^ {- 8 }$$ ثانیه دارند. ساختار مولکولی و محیط شیمیایی،‌ بر خاصیت نورتابی تاثیر گذار هستند. در حقیقت، این دو عامل، شدت یک تابش را تعیین می‌کنند.

تصویر بالا، دیاگرام انرژی «جابلونسکی» (Joblonski) را در فلورسانس نشان می‌دهد. فلش بنفش‌رنگ، نشان‌دهنده جذب نور است. فلش سبزرنگ نیز نشان‌دهنده «آسایش ارتعاشی» (Vibrational Relaxation) است. این نوع از آسایش به صورت تابش پرتو نیست چراکه انرژی برانگیختگی به صورت ارتعاش یا گرما پخش می‌شود و هیچ فوتونی گسیل نخواهد شد.

بهره کوانتومی فلورسانس

بهره کوانتومی فلورسانس به عنوان نشان‌دهنده بازده فرآیند فلورسانس به شمار می‌آید. این بهره را به صورت نسبت فوتون گسیل شده به فوتون جذب شده تعریف می‌کنند:

فوتون جذب شده / فوتون گسیل شده =  $$\Phi$$

$$\Phi = \frac{ { k}_{ f} }{ \sum_{i}{ k}_{i } }$$

عمر فلورسانس

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

• $$\left [S _ { 1 } \right ]$$: غلظت مولکول‌ها در حالت برانگیخته و زمان t
• $$\left [ S _ { 1 } \right ] _ { 0}$$: غلظت اولیه
• $$\Gamma$$: سرعت واپاشی

فرآیندهای مختلف تابشی و غیرتابشی وجود دارند که حالات برانگیخته را تحت تاثیر قرار می‌دهند. بنابراین، سرعت واپاشی کل، مجموع همه سرعت‌های تابشی و غیر تابشی است:

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

شدت فلورسانس

شدت فلورسانس ($$I_f$$)، به مقدار نور جذب شده و بهره کوانتومی فلورسانس طبق رابطه زیر وابسته است:

$$I _ f = k I _ o \phi [ 1 - ( 1 0 ^ { - ε b c } ) ]$$

• $$k$$: ثابت تناسب مربوط به دستگاه
• $$I_o$$: شدت نور تابشی
• $$ε$$: ضریب جذب مولی
• $$b$$: طول مسیر
• $$c$$: غلظت بستر

$$10^ {x} \approx 1 + x + ...$$

بنابراین، شکل فرمول بالا را می‌توانیم به صورت زیر بنویسیم. این رابطه نشان می‌دهد که شدت فلورسانس وابسته به غلظت است:

 $$I_ f = k I _ o\Phi [εbc]$$

خیلی کم اتفاق می‌افتد که فلورسانس، ناشی از جذب تابش ماورا بنفش با طول موج کوتاه‌تر از 250 نانومتر باشد چراکه این نوع از تابش، انرژی کافی را برای غیرفعال کردن حالت برانگیخته به کمک تفکیک یا «پیش‌تفکیک» (Predissociation) دارد. بیشتر مولکول‌های آلی حداقل پیوندی دارند که با این میزان از انرژی از بین می‌روند. فلورسانس به طور معمول بر اثر گذار از پایین‌ترین سطح ارتعاش اولین حالت برانگیخته به یکی از سطوح انرژی پایه بوجود می‌آید.

اصول طیف سنجی فلورسانس

تصویر زیر، نمایی از یک دستگاه فلوریمتر را نشان می‌دهد که از یک منبع نوری برای برانگیختگی فلورسانس به همراه یک جفت «افزاینده فوتوالکتریک» (Photomultipier Tube) به عنوان مبدل بهره می‌گیرد. منبع نور به دو بخش پرتو مرجع و نمونه تقسیم می‌شود. به کمک یک دیافراگم، شدت پرتو مرجع به گونه‌ای تنظیم می‌شود که با شدت فلورسانس یکی باشد. هر دو پرتو از یک فیلتر عبور می‌کنند و پرتو مرجع به افزاینده فوتوالکتریک تابیده می‌شود.

فلورسانس و غلظت ترکیبات

قوانین موجود در فلورسانس

چندین قانون در خصوص فلورسانس وجود دارد که در ادامه به آن‌ها خواهیم پرداخت. در هریک از این قوانین، موارد استثنا هم وجود دارد اما این قوانین، راهنمای مفیدی برای فهم فلورسانس به شمار می‌آیند.

قانون کاشا

«قانون کاشا» (Kasha's Rule) بیان می‌کند که بهره کوانتومی لومینسانس، مستقل از طول موج تابش برانگیختگی است زیرا به طور معمول قبل از اینکه گسیل فلورسانس انجام شود، واپاشی مولکول‌های برانگیخته در پایین‌ترین سطح ارتعاشی حالت برانگیخته اتفاق می‌افتد. قانون کاشا در تمامی موارد صدق نمی‌کند و به شدت در برخی مولکول‌های ساده نقض می‌شود. البته بهتر است این قانون را به شکل بهتری بیان کرد به این صورت که طیف فلورسانس، وابستگی کمی به طول موج تابش برانگیختگی دارد.

قانون تصویر آینه‌ ای

جابجایی استوکس

به طور کلی، نور گسیل شده فلورسانس، طول موج بلندتر و انرژی کمتری از نور جذب شده دارد. این پدیده که به «جابجایی استوکس» (Stokes Shift) موسوم است، به دلیل هدررفت انرژی در زمان جذب و گسیل فوتون اتفاق می‌افتد. علل و مقدار جابجایی استوکس، موارد پیچیده‌ و وابسته به فلوروفور و محیط آن هستند. به طور معمول، این امر ناشی از واپاشی غیرتابشی به پایین‌ترین سطح انرژی ارتعاشی حالت برانگیخته است. عامل دیگر این است که گسیل فلورسانس در بیشتر موارد، فلوروفوری با سطح ارتعاشی بالاتر به جای می‌گذارد.

فلورسانس در طبیعت

ترکیبات طبیعی بسیاری هستند که خاصیت فلورسانس دارند. بسیاری از جاندارن زیر دریا نیز دارای ساختارهای فلورسانس هستند. در ادامه سعی داریم به برخی از این موارد اشاره کنیم.

بیوفلورسانس

این گسیل نور را تنها زمانی می‌توان مشاهده کرد که نور محرک، همچنان در حال نوردهی با رنگ‌های زرد، صورتی، نارنجی، قرمز، سبز یا بنفش به شی یا موجود زنده باشد. فلورسانس را به طور معمول با بیولومینانس و بیوفسفرسانس اشتباه می‌گیرند. در تصویر زیر، نوعی قورباغه را با خاصیت فلورسانس مشاهده می‌کنید.

فلورسانس در آب

آب، نورهایی با طول موج بلند را جذب می‌کند و درنتیجه، نورهای کمتری از این طیف بازتاب خواهند شد. در اثر این اتفاق، رنگ‌های گرم از طیف مرئی، با اشباع رنگی کمتر، عمق آب را بیشتر نشان می‌دهند. همچنین، آب، طول موج‌های کوتاه‌تر بعد از رنگ بنفش را پراکنده می‌کند. این امر بدان معنی است که رنگ‌های سردتر، بخش عمده لایه بالایی آب را تشکیل می‌دهند. شدت نور در هر 75 متر، ۱۰ برابر کمتر می‌شود یعنی در عمق ۷۵ متری از سطح دریا، شدت نور، تنها ۱۰ درصد شدت آن در سطح است. به همین ترتیب، در عمق 150 متری، شدت نوری برابر با ۱ درصد شدت نور در سطح داریم.

برای انجام هر نوع فلورسانسی به حضور یک منبع خارجی نور نیاز داریم. در بالاترین لایه آبی دریاها موسوم به «ناحیه فوتیک» (Photic Zone)، فلورسانس بیولوژیکی دیده می‌شود. این در حالیست که نور کافی برای فلورسانس وجود ندارد اما این نور برای سایر موجودات زنده قابل تشخیص خواهد بود. گستره بینایی در ناحیه فوتیک به طور معمول، آبی‌رنگ است. بنابراین، رنگ‌های فلورسانس را می‌توان به صورت قرمز روشن، نارنجی، زرد و سبز شناسایی کرد. رنگ سبز، معمول‌ترین رنگی است که دیده می‌شود و بعد از آن‌، رنگ‌های زرد و نارنجی قرار دارند.

ماهی‌ها

ماهی‌های استخوانی که در آب‌های کم‌عمق زندگی می‌کنند، دارای رنگ‌های متنوعی هستند. این ماهی‌ها برای ارتباط با گونه‌های هم‌نوع خود از فلورسانس‌های قرمز، نارنجی و سبز استفاده می‌کنند. بسیاری از ماهی‌ها و کوسه‌هایی که خاصیت فلورسانس دارند، دارای فیلترهای زردرنگی داخل چشم خود هستند. این فیلترها در چشم موجب افزایش کنتراست و دیدن الگوهایی می‌شود که سایر ماهی‌ها و شکارچیانِ فاقد این ویژگی، قابلیت رویت آن‌ها را ندارند. در حقیقت بسیاری از ماهی‌ها، الگوهای ناهماهنگی دارند که موجب استتار آن‌ها می‌شود و این فیلترها قابلیت تشخیص چنین الگوهایی را نیز فراهم می‌کنند.

کاربرد دیگر فلورسانس در آب، تولید رنگ نارنجی و قرمز از نور آبی‌رنگ ناحیه فوتیک، جهت کمک به بینایی موجودات این ناحیه است. نور قرمز به دلیل تضعیف طول موج‌های آن توسط آب، تنها در فاصله‌های کوتاه قابل رویت است. بسیاری از ماهی‌هایی که فلورسانس ایجاد می‌کنند،‌ کوچک هستند و به صورت گروهی زندگی می‌کنند و دارای طرح‌های مشخصی هستند. این طرح‌ها و الگوها بوسیله بافت‌های فلورسانس ایجاد می‌شوند و برای سایر اعضای گروه قابل مشاهده هستند. این خاصیت «درون‌گونه‌ای» (Intraspecific) با سیگنال‌هایی درون‌گونه‌ای همراه می‌شود. چنین الگوهایی داخل چشم قرار دارند و تحقیقات نشان می‌دهند که فلورسانس‌های قرمز‌رنگ در این الگوها جهت ارتباط بین اعضای گروه مورد استفاده قرار می‌گیرند.

کاربردهای فلورسانس

فیلم آموزش شیمی‌ تجزیه ۱ در فرادرس

کلیک کنید

نورپردازی

البته لامپ‌های فلورسنت قدیمی، به دلیل طیف رنگی ناهماهنگ، رنگ‌هایی متفاوت از نور روز بدست می‌دهند. طیف گسیلی بخار جیوه در خط ماورا بنفش و 254 نانومتر قرار دارد و بیشترین انرژی را برای فسفر فراهم می‌کند. پرتوهای دیگری نیز در محدوده طیف مرئی شامل رنگ‌های آبی (456 نانومتر)، سبز (546 نانومتر) و زرد-نارنجی (579 نانومتر) همراه با پرتو ماورا بنفش گسیل می‌شوند.

این خطوط مرئی به همراه خطوط گسیلی از عناصر یوروپیوم و تربیم، تابشی غیرپیوسته را بوجود می‌آورند که می‌توان آن‌را در لامپ‌های کم‌مصرف امروزی مشاهده کرد. لامپ‌های فلورسنت در سال 1939 در دسترس عموم قرار گرفت. در ادامه نیز این محصول شاهد پیشرفت‌هایی در عمر بیشتر، نوع فسفر استفاده شده و تخلیه الکتریکی پایدارتر بود. همچنین، این لامپ‌ها با اشکالی کاربردی‌تر به بازار عرضه شدند.

شیمی تجزیه

بیوشیمی و پزشکی

از فلورسانس در علوم زیستی به عنوان روشی غیر مخرب در ردیابی یا آنالیز مولکول‌های بیولوژیکی بهره می‌گیرند. این کار بوسیله گسیل فلورسنت در فرکانسی خاص انجام می‌شود. در حقیقت، همانطور که پیش‌تر نیز اشاره شد، به کمک فلورسانس می‌توان یک پروتئین یا اجزای دیگر را برچسب‌گذاری کرد.

میکروسکوپ فلورسانس

نساجی

ترکیبات فلورسنت به طور معمول برای بهبود ظاهر پارچه و کاغذ استفاده می‌شود که اثر براق به آن‌ها می‌دهد. سطحی سفیدرنگ که با یک براق‌کننده نوری فرآوری شده باشد، نور مرئی را بهتر گسیل می‌کند و با این کار آن‌را براق‌تر نشان می‌دهد. از این براق کننده‌های نوری در شوینده‌های لباس، کاغذ، لوازم آرایشی و لباس‌های ایمنی براق استفاده می‌شود.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده‌ است،‌ آموزش‌ها و مطالب زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• مجموعه آموزش‌های دروس شیمی
• مجموعه آموزش‌های نرم‌افزارهای مهندسی شیمی
• آموزش شیمی عمومی
• آلیاژ چیست؟ — به زبان ساده
• کلر و نقش آن در شیمی — از صفر تا صد
• جدول تناوبی — از صفر تا صد

^^