[روش های شناسایی نانوساختارها] - روش های طیف سنجی نوری

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
روش های شناسایی نانوساختارها » روش های طیف سنجی نوری
-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

1- معرفی فرآیندهای لومینسانس و فوتولومینسانس#2
2- نکات عملی روش لومینسانس#6
3- دستگاه وری (Instrumentation) سامانه‌های فوتولومینسانس#10
4- فرآیندهای آسایش در پدیده لومینسانس#15
5- مقدمه ای برطیف سنجی مرئی و فرابنفش#19
6- طیف سنجی جذبی فرابنفش و مرئی#24
 
آخرین ویرایش:

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
معرفی فرآیندهای لومینسانس و فوتولومینسانس

معرفی فرآیندهای لومینسانس و فوتولومینسانس

لومینسانس فرایند نشر نور از حالت های برانگیخته الکترونی ااست. بسته به اینکه برانگیختگی توسط چه منبع انرژی صورت گرفته باشد، لومینسانس انواع مختلف دارد. در فوتولومینسانس که یکی از پرکاربرد ترین انواع لومینسانس است، برانگیختگی توسط فوتون نور انجام می شود. فلورسانس و فسفرسانس از انواع فوتولومینسانس می باشند. یکی از مهم ترین قابلیت های فلورسانس به عنوان یک روش تجزیه ای برای بررسی های تجزیه کمی ترکیبات شیمیایی، حساسیت بسیار خوب و گستره خطی نسبتا زیاد آن در مقایسه با روش های جذبی است.

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
مقدمه:
نور یکی از صورت های انرژی است. از آنجا که برای تولید نور, شکل دیگری از انرژی باید صرف شود، دو راه عمده برای آن وجود دارد: فرآیند التهاب (Incandescence ) و فرآیند لومینسانس (Luminescence ). در فرایند التهاب، نور از انرژی گرمایی تولید می شود. زمانی که جسمی تا دماهای بالا حرارت داده می شود شروع به درخشیدن میکند. التهاب، نور قرمز ساطع شونده از فلزی است که در کوره یا شعله قرار داده شده است. نور سفید حاصل از لامپ های معمولی نتیجه حرارت دادن رشته تنگستن درون آن هاست. نور حاصل از خورشید و ستارگان نیز به دلیل فرایند التهاب ساطع می گردد.
در فرایند لومینسانس، الکترون های ماده هدف که در شرایط معمول در حالت یا تراز انرژی پایه (Ground State) به سر می برند، با گرفتن انرژی از یک منبع مشخص به حالت های پر انرژی تر برانگیخته (Excited States) می رود. در بازگشت الکترون های ماده از حالت بر انگیخته به حالت پایه، انرژی برانگیختگی به صورت نور (انرژی فوتون ها) نشر می شود. به طور معمول (به جز در موارد خاص) انرژی برانگیختگی به دلیل دخالت برخی از انتقالات درون مولکولی (یا اتمی) از جمله اتلاف انرژی به صورت گرمایی، از انرژی نور نشر شده بیشتر است. از آن جهت که فرآیند لومینسانس نیازمند دماهای بالا نبوده و در دماهای معمول و نسبتا پایین اتفاق می افتد، به نور ساطع شده، نور سرد هم گفته می شود.

1- انواع لومینسانس
از یک دیدگاه، لومینسانس به دو دسته مولکولی و اتمی تقسیم بندی می شود. در لومینسانس اتمی، نشر نور از اتم ها و در لومینسانس ملکولی از ملکول ها صورت می گیرد. لومینسانس ملکولی به دو دسته طبقه بندی می شود:
الف) بر اساس نوع منبع انرژی مورد استفاده برای برانگیخته کردن ملکول
و ب) نوع حالت برانگیخته.
انواع مختلف لومینسانس در جدول 1 خلاصه شده است.

جدول 1- طبقه بندی انواع لومینسانس

شیمی لومینسانس (Chemiluminescence): نشر نور در نتیجه انجام یک واکنش شیمیایی است. انرژی واکنش شیمیایی منجر به تولید محصولی در حالت برانگیخته می گردد که بعد از بازگشت به حالت پایه نور نشر می کند[1].

بیولومینسانس (Bioluminescence): یکی از انواع شیمی لومینسانس است که در آن تولید نور توسط ارگانیسم های زنده صورت می گیرد. دو ترکیب شیمیایی به نام های لوسیفرین (luciferin) که یک رنگدانه می باشد و لوسیفراز (luciferase) که یک آنزیم است، در این فرایند دخیل هستند. واکنش لوسیفرین با اکسیژن توسط لوسیفراز کاتالیز شده و در نهایت منجر به تولید نور می گردد[2].

الکترولومینسانس ( Electroluminescence) : بازترکیب ناگهانی الکترون و حفره در جامداتی مثل ترکیبات نیمه هادی و عایق که منجر به عبور جریان ناگهانی شده، شکست دی الکتریک (Dielectric Breakdown)نامیده شده که در نتیجه اعمال میادین الکتریکی بالا حاصل می شود. در الکترولومینسانس، فرآیند شکست دی الکتریک منتهی به نشر نور از جامد می گردد[3].

کاتدولومینسانس (Cathodoluminescence): در نتیجه برخورد اشعه کاتدی (پرتو الکترونی تولید شده به وسیله تفنگ الکترونی) به مواد لومینسانس کننده (که اصطلاحا به ان ها Phosphor گفته می شود) در حالت جامد صورت می گیرد. الکترون های پرانرژی در این حالت همانند یک منبع انرژی عمل کرده و موجب تحریک از طریق انتقالات الکترونی و در نتیجه انتشار فوتون می گردند[3]. کاتدولومینسانس روشی شناخته شده و مؤثر و ابزاری حساس برای تعیین مشخصات توصیفی به ویژه در محدوده مواد نیمه رسانا و زمین شناسی است[9]. برخورد پرتو الکترونی پرانرژی به نیمه رسانا موجب انتقال الکترون از لایه ظرفیت (Valance Band) به لایه هدایت (Conduction Band) شده و یک زوج الکترون-حفره تشکیل می شود. باز ترکیب زوج الکترون-حفره تولید فوتون نور می کند.

الکتروشیمی لومینسانس (Electrochemiluminescence): واکنش های الکتروشیمیایی در اصل، واکنش های اکسایش/کاهش ناهمگن می باشند که بر اثر انتقال الکترون در سطح مشترک الکترود و محلول صورت می پذیرند. در الکتروشیمی لومینسانس، عامل تحریک انرژی واکنش الکتروشیمیایی است. گونه های تولید شده در فرایند اکسایش/کاهش روی سطح الکترود، خود واکنش پذیر بوده و یک واکنش پر انرژی انتقال الکترونی در محلول انجام می دهند. انرژی حاصل از این واکنش و سرعت تولید آن به قدری زیاد است که فرصت انتقال آن به محیط( اتلاف به صورت انرژی گرمایی) کم است. لذا انرژی آزاد شده از این واکنش ، صرف برانگیختگی محصول واکنش می شود. بازگشت محصول به حالت الکترونی پایه نور تولید می کند[4].

تریبولومینسانس (Triboluminescence): نشر نور در نتیجه اعمال تنش مکانیکی (Mechanical Stress)بر ترکیبات کریستالی و یا شکست کریستال (Crystal Fracture)می باشد. این فرایند با اسامی دیگری نیز شناخته می شود (Mechanoluminescence, Fractoluminescence, Piezoluminescence). هر چند از شناسایی ترکیباتی که این خاصیت را دارا می باشند بیش از 400 سال می گذرد، هنوز تئوری مشخصی برای توصیف این پدیده وجود ندارد. مکانیزم این پدیده به طور کامل شناخته شده نیست ولی به نظر می رسد که علت آن جدایی و بازترکیب (Recombination) مجدد بارها در ماده است[5].

سونولومینسانس (Sonoluminescence): منبع تحریک، امواج ماورای صوت است[6].

فوتولومینسانس (Photoluminescence): یکی از معروف ترین انواع لومینسانس است که در آن تحریک به وسیله فوتون ها صورت می گیرد. به لحاظ مکانیک کوانتوم، در این فرایند برانگیختگی به سطوح انرژی بالاتر و سپس بازگشت به سطح انرژی پایین تر با جذب و نشر فوتون همراه است.

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
2- حالت های برانگیخته الکترونی:
الکترون مثل هر ذره بارداری که حول یک محور می چرخد، به دور خود یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند. براین اساس یک اسپین ظاهری برای الکترون تعریف می شود که صرفا یک مفهوم کوانتوم مکانیکی بوده و می تواند یکی از دو مقدار ½+ و یا ½- باشد. براساس اصل طرد پاولی (Pauli Exclusion principle) در شیمی، دو الکترون تنها هنگامی می توانند در یک اوربیتال قرار گیرند که اسپین مخالف با یکدیگر داشته باشند. حالت های برانگیخته الکترونی (شکل 1) به دو دسته یکتایی (Singlet) و سه تایی (Triplet) تقسیم بندی می شوند. شکل 1- الف حالت یکتایی پایه و شکل 1-ب حالت یکتایی برانگیخته را نشان می دهد. در حالت های یکتایی اسپین الکترون ها (Electron Spin) جفت شده است (هر دو الکترون اسپین مخالف یکدیگر دارند) به طوریکه در مورد حالت یکتایی برانگیخته، جفت بودن اسپین الکترون برانگیخته با اسپین الکترون در حالت پایه حفظ می شود. در این حالت ها اسپین کل با توجه به مخالف بودن جهت اسپین الکترون ها، صفر است. شکل 1- ج حالت برانگیخته سه تایی را نشان می دهد. در این حالت اسپین الکترون برانگیخته هم جهت با اسپین الکترون پایه می باشد و به دلیل خنثی نشدن اسپین ها، اسپین کل صفر نخواهد بود.





شکل 1 - انواع حالت های الکترونی; الف) حالت یکتایی پایه، ب) حالت یکتایی برانگیخته، ج) حالت برانگیخته سه تایی

3 - مقدمه ای بر فوتولومینسانس:
فلورسانس (Fluorescence) یکی از انواع فوتولومینسانس است که در آن اتم ها یا ملکول ها امواج الکترومغناطیس (یا همان انرژی فوتون ها) را جذب کرده، برانگیخته می شوند و در بازگشت به حالت پایه نیز، انرژی اضافی خود را در قالب فوتون از دست می دهند. فلورسانس اتمی شامل نشر نور از توده ای بخاری شکل شامل ماده به صورت اتمی است که به وسیله جذب فوتون تحریک شده است. طول موج نور نشر شده از ویژگی های مشخصه اتم مورد نظر است. در مورد فلورسانس، مدت زمانی که گونه در حالت برانگیخته است بسیار کوتاه است و نشر نور بلافاصله بعد از برانگیختگی اتفاق می افتد. در صورتی که مدت زمان نشر نور بعد از برانگیختگی طولانی تر شود به این نوع لومینسانس، فسفرسانس (Phosphourescence) گفته می شود[7،8]. در فسفرسانس نشر نور بین دو تراز با چندگانگی اسپین متفاوت مثلا از حالت سه تایی به یکتایی (T1→S0) اتفاق می افتد. با توجه به اینکه تغییر اسپین مستلزم صرف زمان است، بنابراین فسفرسانس طول عمر بیشتری دارد[9].

1-3- انواع فلوروسانس
فلورسانس به دو دسته اتمی و ملکولی تقسیم می شود. در فلورسانس اتمی، نشر نور از اتم های برانگیخته و در فلورسانس ملکولی از ملکول های برانگیخته صورت می گیرد. فلورسانس اتمی به پنج دسته تقسیم بندی می شود: فلورسانس رزونانسی (Resonance Fluorescence)، فلورسانس خطی مستقیم (Direct-line Fluorescence)، فلورسانس خطی گام به گام (Stepwise-line Fluorescence)، فلورسانس حساس شده (Sensitized Fluorescence) و فلورسانس با فوتون های چندگانه (Multiphoton Fluorescence).
در فلورسانس رزونانسی، الکترون پس از نشر نور، به همان تراز اولیه ای باز می گردد که در ابتدا از آن برانگیخته شده است. از آنجا که در این حالت سطوح پایه و برانگیخته هنگام جذب و نشر فوتون یکسان است، طول موج فوتون های جذب و نشر شده با یکدیگر برابر است. این فرایند ساده ترین نوع فلورسانس است که در آن هیچ گونه انتقال انرژی درونی (هدر رفت انرژی از طریق گرمایی و یا طرق دیگر) اتفاق نمی افتد. در انواع دیگر فلورسانس اتمی، قبل از بازگشت الکترون از حالت برانگیخته به حالت پایه، درون اتم انتقالات انرژی صورت می گیرد. در فلورسانس خطی تدریجی، سطح برانگیخته درگیر در فرایند تحریک (انتقال الکترون به تراز انرژی بالاتر) و نشر (بازگشت الکترون به حالات پایه) متفاوت است (شکل 2-ب). این به آن معنی است که در یک مرحله غیرتابشی، الکترون تهییج شده با اتلاف گرمایی مقداری از انرژی خود به ترازهای پایین تر منتقل شده و از آنجا انتقال تابشی خود را به حالت پایه انجام می دهند. در صورتی که در فلورسانس خطی مستقیم، سطح برانگیخته درگیر در تحریک و نشر، یکسان است (شکل2-ج). می توان گفت که الکترون، بدون گذشتن از مراحل اتلاف گرمایی (غیر تابشی)، مستقیما انتقالات تابشی خود را انجام می دهد، اما از آنجا که انتقالات از نوع غیر رزونانسی است، بازگشت به تراز پایه اولیه صورت نمی گیرد.

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
فلورسانس با فوتون های چند گانه (شکل 2-د) نتیجه برانگیختگی توسط دو یا چند فوتون با طول موج بلند و بازگشت به حالت پایه با نشر یک فوتون با طول موج کوتاهتر است. فلورسانس حساس شده زمانی رخ می دهد که یک گونه با جذب یک فوتون برانگیخته شده و انرژی خود را به ملکول دیگری (ملکول پذیرنده) منتقل می کند و در نهایت ملکول پذیرنده با نشر فوتون به حالت پایه باز می گردد (شکل 2- ه).




شکل 2 - الف) فلورسانس رزونانسی، ب) فلورسانس خطی تدریجی، ج) فلورسانس خطی مستقیم، د) فلورسانس با فوتون های چندگانه و ه) فلورسانس حساس شده (D: ملکول دهنده یا (Donor molecule) و *D: ملکول دهنده در حالت برانگیخته، A: مولکول پذیرنده یا (Acceptor molecule) و *A: مولکول پذیرنده در حالت برانگیخته، hνE: انرژی جذب، hνF: انرژی فلورسانس.

2-3- قابلیت های روش فلوروسانس به عنوان یک روش تجزیه کمی
در فلورسانس ملکولی نمونه توسط یک طول موج جذبی که به آن طول موج تحریک گفته می شود برانگیخته می گردد. نشر فوتون در طول موج های بالاتر انجام می شود، که به این طول موج، طول موج فلورسانس یا نشر گفته می شود. شدت نور نشری حاصل از تحریک ماده با منبع نور، به طور کمی با تعداد ذرات فلوروسانس کننده موجود در نمونه متناسب است. یکی از مهم ترین ویژگی های فلورسانس ملکولی به عنوان یک روش تجزیه ای برای بررسی های تجزیه کمی ترکیبات شیمیایی، حساسیت بسیار خوب آن می باشد که به طور معمول دو تا سه برابر از روش های جذبی (Absorption Techniques) بهتر است. به وسیله این روش می توان در موارد خاص و تحت شرایط کنترل شده حتی یک تک ملکول (Single Molecule) را نیز بررسی کرد. مزیت دیگر این روش زیاد بودن گستره خطی (محدوده ای که شدت نور به صورت خطی با غلظت نمونه تجزیه ای تغییر می کند) نسبت به روش های جذبی است. در مقابل، فلورسانس در برابر مزاحمت های محیطی نسبت به روش های جذبی حساس تر است (کارآیی آن بر اثر مزلحمت های محیطی بیشتر مختل می شود).

نتیجه گیری
در مقاله حاضر، پدیده لومینسانس به عنوان یک راه برای تولید انرژی نورانی به خوبی توضیح داده شده و تفاوت های آن با فرآیند التهاب بیان گردیده است. پدیده فوق بر اثر تهییج اتم یا مولکول لومینسانس کننده تا حد برانگیختگی و سپس آسایش نورانی گونه بوجود می آید. یکی از اصلی ترین انواع لومینسانس تحت عنوان فوتولومینسانس است که در آن ماده با انرزی نورانی (فوتونی) تهییج می شود. حالت های متفاوت برانگیختگی الکترونی و حالت های مختلف فوتولومینسانس (فلورسانس و فسفرسانس) توضیح داده شده است. انواع فلورسانس نیز در آخر آمده و مقدمه ای بر کاربردهای روش های تجزیه ای بر پایه این پدیده بیان گردیده است. در مقالات آینده به بحث در خصوص روش و دستگاهوری (Instrumentation) روش های تجزیه ای فوتولومینسانس پرداخته خواهد شد.

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
نکات عملی روش لومینسانس

نکات عملی روش لومینسانس

لومینسانس فرآیند نشرنور از گونه‌های برانگیخته است. فرآیندهای فلوروسانس، فسفرسانس و شیمی لومینسانس با تجهیزات اسپکترومتری متشکل از اجزاء مختلف با کارآیی خاص مطالعه و اندازه گیری می‌شود. تنها نانومواد و ترکیبات مولکولی خاصی قادر به نشر لومینسانس می‌باشند. برخی ترکیبات معدنی، آلی و بعضی کمپلکس‌های آلی فلزی گونه های مولکولی فعال در پدیده لومینسانس می‌باشند. تکنولوژی های جدید فلورسانس (به عنوان یکی از پرکاربردترین روش های تجزیه‌ای لومینسانس) توضیح داده شده است. تحریک با فوتون چندگانه، آشکارسازی مولکول‌های منفرد و طیف سنجی های Correlation از این دسته است.

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
1- مقدمه
لومینسانس فرآیندی است که در آن ماده از حالت برانگیخته به حالت پایه آمده و انرژی خود را به صورت تابش آزاد می‌کند. در شیمی بیشتر به فرآیندهای فوتولومینسانس (فلورسانس و فسفرسانس) و همچنین فرآیندهای شیمی‌لومینسانس (Chemiluminescence) اهمیت داده می‌شود. اندازه گیری لومینسانس تابش یافته از ماده می‌تواند منجر به کسب اطلاعات تجزیه‌ای از کل سامانه گردد. برای این منظور طیف‌سنج‌های (Spectrometers) لومینسانس طراحی و به کارگرفته می‌شوند. امروزه طراحی اسپکترومتر های مبتنی بر لومینسانس به نحوی انجام می شود که دستگاه قابلیت کاربرد در زمینه فلورسانس، فسفرسانس و شیمی لومینسانس را دارا باشد. این دستگاه ها تطبیق پذیر و قابل اعتماد بوده و کاربردهای وسیع در تجزیه های زیستی (Bioanalytical Applications) دارند. برای مطالعه گسترده تر در خصوص پدیده لومینسانس پیشنهاد می‌گردد تا به مقاله اول این مبحث با عنوان "معرفی فرآیندهای لومینسانس و فوتولومینسانس" مراجعه گردد.
هرچند تقریبا تمامی گونه‌ها نور را در فرکانس‌(های) خاصی جذب می‌کنند، تنها گونه های خاصی توانایی نشر لومینسانس را دارند. ترکیبات لومینسانس دهنده برخی گونه‌های مولکولی و دسته‌های خاصی از نانومواد را شامل می شود. فرآیند تابش لومینسانس در این ترکیبات می تواند جهت بررسی سیستم و یا اندازه گیری غلظت مورد استفاده قرار گیرد. همچنین این ترکیبات در بسیاری از موارد به عنوان نشانه (Label) جهت نشان دار کردن مولکول‌ها یا ذرات شیمیایی دیگر به کار می‌روند. با این روش می‌توان بسیاری از سامانه‌هایی را که به طور عادی در لومینسانس غیرفعالند، مورد مطالعه و کاربرد قرار داد.

2 - طراحی دستگاه های لومینسانس(Luminescence Instrumentation)

طراحی طیف‌سنج‌ها (Spectrometers) و فوتومترهای لومینسانس (Luminescence Photometers) بر اساس توان تابشی بسیار پایینی است که توسط آشکارساز(Detector) دیده می شود (معمولا به اندازه پیکووات یا کمتر). در مقابل، توان تابشی عبوری در اندازه گیری های مبتنی بر جذب ملکولی (Molecular Absorption Spectroscopy) در گستره 1 تا 1000 نانو وات می باشد. سیگنال لومینسانس مربوط به آنالیت مورد نظر باید از سیگنال زمینه (Background)، سیگنال تاریک و نوفه (Noise) تشخیص داده شود. اجزای اصلی برای اندازه گیری های فوتولومینسانس در شکل (1) نشان داده شده است. منبع (Excitation Source)، انتخابگر طول موج برانگیختگی (Excitation Wavelength Selector) و قطعات اپتیکی مربوطه، ویژگی های نور اولیه ای را که به نمونه برخورد می کند تعیین می کنند. ویژگی های نور ثانویه یا نشری که توسط آشکارساز دیده می شود توسط انتخابگر طول موج نشری(Emission Wavelength Selector) مشخص می گردد. در اغلب دستگاه های لومینسانس، نشر نور به طور معمول نسبت به محور برانگیختگی یا جذب در زاویه 90 درجه نسبت به نور منبع اندازه گیری می شود. برای اندازه گیری های شیمی لومینسانس (Chemiluminescence) نیازی به منبع برانگیختگی و انتخابگر طول موج برانگیختگی نخواهد بود.




شکل 1- دیاگرام اسپکتروفوتومتر لومینسانس مولکولی. نور از منبع برانگیختگی به انتخابگر طول موج برانگیختگی برخورد کرده و سپس یک طول موج خاص که قرار است به سل نمونه برخورد کند جدا می شود. بخشی از نور نشر شده در زاویه 90 درجه نسبت به محور برانگیختگی به انتخابگر طول موج نشری برخورد می کند. توان نور لومینسانس شده در گستره طول موج نشری به وسیله آشکارساز دیده می شود. سیگنال اشکارساز پردازش شده و نهایتا به نمایش در می آید.

فلورومتری (Fluorometry) به اندازه گیری های فلورسانس اطلاق می شود که توسط فلورومتر (Fluorometer) و یا اسپکتروفلورومتر (Spectrofluorometer) انجام شده باشند. در صوررتی که انتخابگر طول موج صافی (Filter) باشد، به دستگاه حاصل فلورومتر گفته می شود. در اسپکتروفلورومتر ها از تکفام‌ساز(Monochromator) به عنوان انتخابگر طول موج استفاده می گردد. در دستگاه های ترکیبی (هیبریدی) از یک صافی و یک تکفام ساز همزمان استفاده شده است که به آن ها نیز اسپکتروفلورومتر گفته می شود. در معمول ترین پیکربندی از دستگاه های ترکیبی، برای جداسازی طول موج برانگیختگی از تکفام ساز و برای جداسازی طول موج نشری از صافی استفاده می شود. نکته قابل توجه این است که اصطلاحات فلوریمتر و فلوریمتری در اروپا رایج است. برای اندازه گیری های فسفرسانس همیشه از اصطلاح فسفریمتری (Phosphorimetry) استفاده می شود. در این مقاله از لفظ فلورومتری و فسفریمتری که در آمریکا رایج است استفاده می کنیم. اجزاء تشکیل دهنده یک دستگاه طیف سنجی (جزئیات دستگاهوری) به تفصیل در مقاله دیگری توضیح داده خواهند شد.
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
3- ترکیبات لومینسانس دهنده

1-3- ترکیبات مولکولی لومینسانس دهنده

ترکیبات مولکولی لومینسانس دهنده به سه دسته کلی تقسیم بندی می شوند:

1) ترکیبات آلی: هیدروکربن های آروماتیک (نفتالین، آنتراسن، فنانترن و غیره)، فلورسین، رودامین ها، پلی ان ها، دی فنیل پلی ان ها، آمینواسیدها (تریپتوفان، تیروزین و فنیل آلانین) و غیره.
2) ترکیبات معدنی: یون اورانیل ([SUP]+[/SUP]UO2)، بلورها (یاقوت) Al2O3/Cr[SUP]3+[/SUP]، ZnSe، ZnS،CdS ، یون های لانتانید ( [SUP]+[/SUP]Tb[SUP]3[/SUP]و [SUP]+[/SUP]Eu[SUP]3[/SUP])

3) ترکیبات فلزی-آلی (Organometallic Compounds) : ترکیبات روتنیوم (Ru(bipy)3)، کمپلکس های حاوی یون های لانتانید، کمپلکس های حاوی معرف های کیلیت کننده ای (Chelating Agent) که تولید فلورسانس می کنند از جمله 8-هیدروکسی کینولین که معمولا اکسین نامیده می شود و غیره [2].

2-3- نانومواد لومینسانس دهنده
ترکیبات لومینسانس دهنده در مقیاس نانو وابسته به مواد تشکیل دهنده به طور کلی در چهار دسته قرار می گیرند:
1) نقاط کوانتومی نیمه هادی
2) خوشه های فلزی در ابعاد نانو
3) نانو مواد مختلط شده (Dopped) با فلزات
4) کامپوزیت ها و هیبرید های آلی-معدنی.

نقاط کوانتومی نیمه هادی همانند کادمیم سلنید (CdSe) و کادمیم تلورید (CdTe) جزء پرکاربردترین نانومواد لومینسانس دهنده می باشند. نکته مهمی که در مورد این مواد باید مورد توجه قرار گیرد این است که اندازه نانوذره باید به دقت کنترل شود، ساختار پوسته-هسته و همینطور نوع ماده پوشاننده (Capping Agent) یا پایدارکننده (Stabilizer) باید مشخص باشد. به طور معمول نشر نقاط کوانتومی نیمه هادی به صورت گسسته است که اصطلاحا به این پدیده چشمک زدن (Blinking) می گویند. تا کنون انواع مختلفی از نقاط کوانتومی از گروه‌های II-VI، III-V و IV-IV با کارایی کوانتومی بسیار بالا (90-60 درصد) تهیه شده اند که نشر آن ها کل ناحیه طیفی از ماوراء بنفش تا مادون قرمز را پوشش می دهد. با توجه به اثر اندازه کوانتومی (Quantum Size Effect)، در این ترکیبات رنگ های مختلفی در طول موج نشری حاصل می شودکه تنها با تغییر اندازه نانو ذره امکان پذیر است. در مقابل، نقاط کوانتومی نیمه هادی مشکلاتی دارند. از این جمله سمیت آن هاست و اینکه مواد تشکیل دهنده آن ها جزء عناصر کمیاب و گران قیمت کره زمین می باشند. به علاوه حساسیت نقاط کوانتومی نیمه هادی به هیدرولیز و اکسیداسیون کاربرد آن ها را محدود می کند. رزونانس پلاسمون سطحی در خوشه های فلزی (عمدتا طلا و نقره) منجر به نشر نور در ناحیه مرئی از این ترکیبات می شود. وابستگی طول موج نشر نور به اندازه ذره در مورد این ترکیبات نیز دیده می شود. بر خلاف نقاط نیمه هادی و کربنی و همینطور نانوخوشه های فلزی، نانومواد مختلط شده (Dopped) با فلزات (NaYF4:Er,Yb) و کامپوزیت ها و هیبریدهای آلی-معدنی دسته دیگری از نانو مواد لومینسانس کننده هستند که نشر نور در آن ها مستقل از اندازه بوده لذا سنتز آن ها راحت تر می باشد.در مقابل، نشر این ترکیبات منحصر به یک طول موج خاص می باشد. نانوکامپوزیتهای آلی-معدنی به طور معمول از یک رنگ آلی لومینسانس کننده (ردامین و فلورسین) تشکیل شده اند که درون یک ماتریس معدنی قرار می گیرند. ماتریس معدنی مورد استفاده در این ترکیبات عمدتا سیلیکا و یا کلسیم فسفات می باشد. مشکل این ترکیبات این است که ملکول های رنگ جذب سطحی شده بر ماتریس معدنی امکان کنده شدن دارند. برای رفع این مشکل، ملکول های رنگ را با روش های سنتز میکروامولسیون درون محفظه ای کپسول مانند از ماتریس معدنی قرار می دهند. بر خلاف نانو کامپوزیت ها، در هیبریدهای آلی-معدنی رنگ لومینسانس کننده جزء اصلی شبکه جامد محسوب می شود لذا هر نانوذره نشر نور را به صورت نقطه ای انجام میدهد.
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
4 - تکنولوژی های جدید در فلورسانس

1-4- تحریک با فوتون های چندگانه

در طول چند سال اخیر پیشرفت های جدیدی مبتنی بر کاربرد فلورسانس در زمینه های مختلف حاصل شده است. این تکنولوژی های جدید به سرعت فراگیر شده و در حال گسترش اند. یکی از آن ها، تحریک توسط دو یا چند فوتون با طول موج هایی بلندتر از طول موج نشری است. فلورسانس معمولا توسط تحریک فلوروفور (قسمت مولکولی عامل ایجاد فلوروسانس) با یک فوتون تک صورت می گیرد. لیزرهای پالسی با پهنای پالس در حد فمتوثانیه قادرند فلوروفورها را با تحریک توسط دو یا چند فوتون در حالت برانگیخته قرار دهند. استفاده از این لیزرها آسان بوده و در میکروسکوپ ها نیز کاربرد دارند. در صورتی که شدت نور لیزر زیاد باشد، یک فلوروفور می تواند به طور همزمان دو فوتون با طول موج های بلند را جذب کرده و به اولین حالت یکتایی برانگیخته شود. این فرایند به شدت نور وابسته است و تنها در نقطه کانونی پرتو لیزری اتفاق می افتد[4]. میکروسکوپ های مبتنی بر فلورسانس با فوتون های چندگانه، از منابع تحریک با انرژی پایین تر ( معمولا در ناحیه مادون قرمز یا مادون قرمز نزدیک) استفاده می کنند. اشعه مادون قرمز در لیزرها به دلایلی از جمله: 1) عمق نفوذ بیشتر، 2) کاهش پدیده خودجذبی و فلورسانس خودبخودی بافت های بدن، 3) کاهش آسیب رسانی به بافت های بدن و 4) متمرکز شدن نور در یک نقطه خاص، به خصوص برای آنالیز در محیط زنده (In-vivo) مناسب است[5].

2-4- Fluorescence Correlation Spectroscopy

این تکنیک برای اولین بار در سال 1970 معرفی گردید و به منظور بررسی رفتار ملکول های زیستی در غلظت های بسیار کم در محلول به کار گرفته شد. توسط این روش می توان اطلاعاتی در خصوص نفوذ ذره، سینتیک شیمیایی، واکنش هیبرید شدن (Hybridization Reaction) و تراکم مولکولی (Molecular Aggregation) به دست آورد. در این روش نور لیزر به حجم بسیار کوچک در حد فمتولیتر -که به آن حجم مشاهده شده (Observed Volume) نیز می گویند- از محلولی که درون یک Cuvette قرار داده شده متمرکز می شود. حرکت برونی (Brownian Motion) ملکول های فلورسانس کننده ای که از درون این حجم بسیار کوچک عبور می کنند منجر به نوسانات شدت فلورسانس می شود. این نوسانات می تواند به دلیل تغییر تعداد فلوروفورها و یا تغییر بازده کوانتومی فلورسانس در نتیجه انجام یک واکنش شیمیایی باشد. دو کمیت بسیار مهم از آنالیز نوسانات شدت فلورسانس در حجم مشاهده شده بدست می آید که عبارتند از: 1) تعداد ملکول ها در حجم مشاهده شده و یا به عبارتی غلظت آن ها و 2) ضریب نفوذ. هر تغییری در ضریب نفوذ ذره در محلول می تواند به دلیل تغییر اندازه یا شکل ذره و یا تغییر در ویسکوزیته محلول صورت گرفته باشد و هر تغییری در غلظت ملکول ها ممکن است به دلیل تجمع (Association) و یا تفکیک (Dissociation) آن ها باشد. بسیاری از محققان معتقدند که این تکنیک برای بررسی سرعت نفوذ پروتئین به درون سلول های زنده بسیار مفید است[6].




شکل 2- الف) برخورد نور لیزر به حجم مشاهده شده (مولکول های در حال فلورسانس به صورت سایه دار نشان داده شده اند) و ب) نوسانات شدت فلورسانس بر حسب زمان[10].

3-4- آشکار سازی مولکول های منفرد
مشاهده مولکول های منفرد توسط یک روش، نمایانگر دستیابی به بالاترین حساسیت ممکن در روش است. در اکثر این آزمایشات فلوروفور بر روی یک سطح تثبیت می شود. این فلوروفورها می بایست کارایی کوانتومی بالایی داشته و در برابر نور پایدار باشند. این تکنولوژی به سرعت در حال پیشرفت است به طوری که علاوه بر شدت فلورسانس می توان طول عمر مولکول های تک را نیز اندازه گرفت. بدون کمک این تکنولوژی تقریبا تمام آزمایشات خواص میانگین تعداد زیادی از مولکول ها را نشان می دهند، در حالی که اگر امکان بررسی ملکول ها به صورت مجزا وجود داشته باشد می توان به جزئیات بسیار ظریفی از مولکول ها مثل تغییر کنفورماسیون یک مولکول پی برد[4].

5- نتیجه گیری

دستگاه های اندازه گیری پدیده لومینسانس از بخش های منبع، انتخاب‌گر طول موج برانگیختگی، انتخاب‌گر طول‌موج نشری، سل نمونه، آشکارساز و پردازنده تشکیل شده است. دستگاه هایی که از صافی استفاده می‌کنند با نام فلورومتر و دستگاه‌هایی که از تکفام‌ساز استفاده می‌کنند، اسپکتروفلورومتر می‌گویند. همچنین به تکنیک هایی که در آنها پدیده فسفرسانس اندازه گیری می‌شود فسفریمتری می گویند.
برخی ترکیبات آلی همچون فلورسین ورودامین، برخی ترکیبات معدنی مثل اورانیل و برخی بلورها و نهایتا برخی از کمپلکی‌های آلی فلزی جزء ترکیبات معدنی فلوروسانس کننده هستند. نقاط کوانتمی نیمه‌هادی و کربنی، خوشه‌های فلزی در ابعاد نانو، نانومواد مختلط شده با فلزات و همچنین برخی کامپوزیت های هیبریدی آلی-معدنی از دسته نانومواد لومینسانس کننده هستند.
تکنولوژی‌های جدید تحریک با فوتون چندگانه، طیف سنجی Correlation و روش‌های آشکارسازی مولکول‌های منفرد معرفی شده اند.

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
دستگاه وری (Instrumentation) سامانه‌های فوتولومینسانس

دستگاه وری (Instrumentation) سامانه‌های فوتولومینسانس

دستگاه لومینسانس از بخش‌های متفاوتی تشکیل شده است. منبع، تکفام‌ساز، صافی، محفظه نمونه، آشکارساز و پردازنده این اجزاء هستند که به تفصیل و با جزئیات تکنیکی توضیح داده شده اند. منبع نوری باید پایدار بوده و شدت بالایی از تابش را فراهم آورد. در مقابل آشکارساز نیز باید با قدرتمندی تمام، نشر کم توان از ماده را به سیگنال الکتریکی تبدیل نموده و به پردازشگر گسیل دارد. انواع منابع، صافی ها و تکفام‌سازها آورده شده و معایب و مزایای هریک بررسی شده است.

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
1- مقدمه
یک دستگاه لومینسانس از بخش های اصلی مختلفی تشکیل شده‌است. این دستگاه شامل منبع (Source)، تکفام‌ساز (Monochromator) یا صافی (Filter) ، محفظه های نگهدارنده نمونه (Sample Holder)، آشکارسازهای بسیار حساس مثل لوله فوتوتکثیر کننده (Photomultiplier Tube) و سیستم های پردازش داده می باشد. انواع طراحی دستگاه‌های لومینسانس در مقاله " نکات عملی روش لومینسانس" آورده شده است. بر این اساس فلورومترها و اسپکتروفلورومترها دو طراحی دستگاهی برای روش فلوروسانس هستند که کارآیی مختلفی دارند. در این مقاله هریک از اجزای این دستگاه‌ به تفصیل توضیح داده شده است.

2- اجزای دستگاهی سامانه های لومینسانس

1-2- منبع برانگیختگی (Excitation Source)

در اغلب شرایط، سیگنال فوتولومینسانس به طور مستقیم با شدت نور تابشی به نمونه متناسب است. بنابراین یک منبع برانگیختگی ایده آل باید شدت نور پایدار و زیادی در طول موج برانگیختگی مورد نظر ایجاد کند. استفاده از لنزها و یا آینه های مناسب در منابع معمولی منجر می شود که بیشترین مقدار ممکن از نور منبع جمع آوری شده، تصویری از نور منبع به درون سل نمونه تابانده گردد. انعکاس دهنده های بیضوی شکل (Elliptical Reflector ) بیشترین کارایی را در جمع آوری نور منبع دارند. انعکاس دهنده ها و منبع می توانند به صورت واحدهای مستقل از یکدیگر عمل کنند و یا در مجموع یک واحد جدایی ناپذیر را تشکیل دهند. در فلورومترهای ساده از یک لامپ قوس الکتریکی جیوه ای با فشار پایین (Low Pressure Mercury Arc Lamp) استفاده می شود. این لامپ خطوط طیفی شدیدی در 254، 312 و 365 نانومتر ایجاد می کند که هر سه، طول موج های مناسبی برای برانگیختگی اکثر ملکول ها می باشند. در صورتی که این لامپ ها با ترکیبات لومینسانس کننده (Phosphors) پوشانده شوند، طول موج نشری در آن ها به مقادیر بالاتر جابجا می شود (به عنوان مثال از 254 به 280 نانومتر) و همینطور کاهش شدیدی در درخشندگی لامپ را در پی دارد. در اسپکتروفلورومترهای تجاری، متداولترین منبع، لامپ قوس الکتریکی زنون (Xenon Arc Lamp) با فشار بالا (در محدوده 75 تا 450 وات) می باشد. بعلاوه از لامپ های جیوه ای و زنون-جیوه با فشار بالا نیز استفاده می شود. میزان درخشندگی در طول موج های نشری جیوه بسیار بیشتر از درخشندگی لامپ زنون در همین طول موج‌هاست. لامپ های قوس الکتریکی به منابع تغذیه(Power Supply) بزرگی نیاز دارند که قادر باشد ولتاژ 15 تا 30 ولت و جریان های 5 تا 20 آمپر را ایجاد کند. معمولا منبع تغذیه طوری طراحی می شود که ولتاژ در نزدیکی قوس الکتریکی ثابت بماند تا جریان و در نتیجه درخشندگی ثابتی ایجاد شود. در لامپ های قوس الکتریکی در حین گرم شدن، قوس الکتریکی بین الکترودها جابجا می شود. به این پدیده سرگردانی قوس الکتریکی (Arc Wander) گفته می شود. سرگردانی قوس باعث تغییرات ناگهانی در سیگنال لومینسانس می شود؛ به خصوص زمانی که تصویر قوس الکتریکی بر یک روزنه (Slit Aperture) کوچک منعکس شود. در بعضی مواقع سرگردانی قوس را می توان با قرار دادن لامپ در یک میدان مغناطیسی متناوب کاهش داد. برای جلوگیری از خطر ناشی از تولید اوزون در لامپ های با فشار بالا، محفظه نگهداری لامپ باید با دقت مهر و موم شود. لامپ های قوس الکتریکی از جنس زنون که به صورت پالسی عمل می کنند به عنوان منابع برانگیختگی در لومینسانس بسیار مورد توجه هستند. این لامپ ها نسبت به لامپ های قوس الکتریکی که با جریان مستقیم کار می کنند درخشندگی نسبی بزرگتری در طول موج های کمتر از 300 نانومتر دارند. این لامپ ها برای اندازه گیری های فسفرسانس به شیوه Time Resolved مورد استفاده قرار می گیرند. لامپ های دوتریوم برای برانگیختگی در طول موج های کمتر از 300 نانومتر مناسب اند. در طول موج های کمتر از 300 نانومتر درخشندگی لامپ های قوس الکتریکی جیوه و زنون که با جریان مستقیم کار می کنند به شدت کاهش می یابد. ممکن است تصور شود که نور لیزرها به دلیل درخشندگی بیشتر، گزینه های مناسبتری در مقایسه با منابع معمولی در اندازه گیری های فلورسانس باشد. علاوه بر اینکه نیازی به استفاده از انتخابگر طول موج برانگیختگی نخواهد بود. در حال حاضر کاربرد لیزرها در سیستم های تجاری به جز در مواردی که هدف اندازه گیری طول عمر فلورسانس باشد محدود است. حد تشخیص (یکی از خصوصیات تجزیه ای روش که بیانگر توانایی دستگاه در آنالیز نمونه می باشد) برانگیختگی با لیزر معمولا در حد سیستم هایی است که در آن ها از منابع معمولی با شدت بالا استفاده می شود. در مقایسه با منابع معمولی، لیزرها گران تر و پیچیده ترند،نگهداری آن ها سخت تر بوده و پایداری کمتری دارند. بعلاوه تجزیه شدن نمونه به دلیل شدت های بالای نور لیزر یک مشکل اساسی تلقی می شود. لیزرها و لامپ های قوس الکتریکی که به صورت پالسی عمل می کنند به پردازنده هایی با قیمت های بالاتر و پیچیدگی بیشتر نیاز دارند. با این وجود اسپکتروفلورومتر های مبتنی بر لیزر در برخی از آزمایشگاه های تحقیقاتی ساخته شده اند. معروف ترین لیزرها عبارتند از: لیزر نیتروژن پالسی (337.1 نانومتر)، لیزر آرگون (488.8 و 514.6 نانومتر) و لیزرهای رنگی قابل تنظیم (Tunable Dye Lasers). طول موج حاصل از لیزر نیتروژن برای برانگیختگی بسیاری از گونه ها مناسب است. لیزرهای آرگون کاربرد های محدودتری دارند زیرا درصد مولکول هایی که توسط طول موج های نشر شده از این لیزرها برانگیخته می شوند کم است. لیزرهای رنگی مناسب ترین هستند زیرا در این نوع از لیزرها تنظیم طول موج برای هر مولکول خاصی امکان پذیر است. لیزرهای رنگی پالسی با پهنای پالس کمتر از 1 نانوثانیه برای اندازه گیری طول عمر لومینسانس بسیار مناسب هستند.
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
2-2- طول موج گزین ها (Wavelength Selection Devices)

در اسپکتروفلورومتر ها از تکفام‌ساز(Monochromator) و در فلورومترها از صافی (Filter) به عنوان انتخابگر طول موج استفاده می گردد. پیکربندی هر دو نوع دستگاه در شکل (1) نشان داده شده است.






شکل 1- دیاگرام نوری فلورومتر (الف) و اسپکتروفلورومتر (ب) تک پرتویی. در شکل االف، روزنه ها پهنای شکافی را که نور برانگیختگی از طریق آن بر سلول نمونه متمرکز می شود و همینطور پهنای نور نشری را که توسط آشکارساز دیده می شود تعیین می کنند. در شکل (ب) یک لنز بین تکفام ساز برانگیختگی و سلول نمونه قرار داده شده تا پرتو باریکی از نور برانگیختگی را به سلول نمونه بتاباند. لنز دیگری که پس از سلول نمونه قرار داده شده است، نور فلورسانس را به شکاف ورودی تکفام ساز نشری منعکس می کند.


طول موج مرکزی و پهنای باند (Band Pass) طول موج گزین های جذبی و نشری به نحوی انتخاب می شوند که سیگنال فلورسانس را به حداکثر و سیگنال زمینه را به حداقل برسانند. افزایش پهنای باند برانگیختگی با منابع پیوسته موجب افزایش توان تابشی برخوردی به نمونه می شود. به طور معمول پهنای باند برانگیختگی از 0.1 پهنای باند جذبی در نصف ارتفاع بزرگتر است.
در ابتدای امر ممکن است به نظر برسد که این امر می تواند منجر به غیر خطی بودن ارتباط سیگنال با غلظت آنالیت (Nonlinearity) بشود، همچنان که در اسپکتروسکوپی جذبی به دلیل وجود نور چند رنگ (Polychromatic) با این پدیده مواجه می شویم. این مسئله در غلظت های پایین آنالیت مشکلی ایجاد نمی کند. در واقع در غلظت های پایین از آنالیت توان تابشی جذب شده متناسب با غلطت آنالیت است، حتی اگر ضرائب جذب مولی طول موج های پهنای باند برانگیختگی متفاوت باشد. هر چه پهنای باند برانگیختگی کوچکتر باشد، گزینش پذیری بیشتر است. افزایش پهنای باند نشری با توجه به پهن تر بودن آن (100-20 نانومتر)، منجر به افزایش سیگنال فلورسانس می شود. هر چند تنظیم پهنای باند نشری باید به نحوی انجام شود که سیگنال آنالیت از سیگنال زمینه و پخش رامان (Raman Scattering) قابل تشخیص باشد. بنابراین دور از انتظار نخواهد بود اگر فیلتر ها را طول موج گزین هایی با توانایی بالا بدانیم. با توجه به بزرگتر بودن پهنای باند یک فیلتر در مقایسه با تکفام ساز، توانایی فیلتر 10 تا 100 برابر از تکفام ساز بیشتر است. علاوه بر آن سیستم های اپتیکی که برای فیلتر ها استفاده می شوند عملکرد سریعتری دارند. فیلتر های تقاطعی (Cut off Filter) و جذبی(Absorption band Filters)، گستره ی پهن تری از طول موج ها را عبور داده و برای جدا کردن یک یا دو خط طیفی از منابع جیوه ای با فشار پایین کافی هستند.این فیلترها قادرند گستره ی طول موجی را که در آن فلورسانس آنالیت اتفاق می افتد عبور دهند. پهنای باند باریک تر فیلتر های تداخلی (Interference Filter)، گزینش پذیری بیشتری نسبت به فیلتر های جذبی ایجاد می کند. در مقابل، توانایی فیلترهای تداخلی به دلیل عبور کمتر نور،کمتر است. نکته ای که در انتخاب فیلتر باید به آن توجه داشت این است که خود فیلترها خاصیت فلورسانی ضعیفی داشته باشند. در صورتی که به گزینش پذیری بالاتری نیاز باشد می توان از دو یا چند فیلتر استفاده کرد.

به طور معمول در اسپکتروفلورومترها از تکفام سازهای با تفکیک پذیری (Resolution) متوسط استفاده می شود. تفکیک پذیری معادل 1 نانومتر برای اکثر کاربردها مناسب است.برای آنالیز کمی، پهنای شکاف بزرگ (0.5 تا 2 میلی متر) و پهنای طیفی 4 تا 20 نانومتر نیاز است.
پایین بودن تابش هرز(Stray Radiation) یکی از الزامات اندازه گیری های فلورسانس است. کسر کوچکی از نور منبع در طول موج های بلندتر می تواند به عنوان تابش هرز از تکفام ساز برانگیختگی عبور کرده، توسط نمونه پراکنده شود و با عبور از تکفام ساز نشری آشکاسازی شود. اثرات ناشی از تابش هرز با استفاده از توری های هولوگرافیک (Holographic Grating)، تکفام ساز های دوگانه(Double Monochromator) و یا صافی های تقاطعی به حداقل می رسد. در برخی مواقع یک فیلتر جذبی مادون قرمز بین منبع و تکفام ساز برانگیختگی گذاشته می شود تا نور شدید نشر شده در ناحیه مادون قرمز را که توسط لامپ های قوسی با فشار بالا نشر می شود مسدود کند. این امر منجر به کاهش گرم شدن نمونه و در نتیجه کاهش تخریب گرمایی فیلتر ها و شکاف ها می شود.
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
3-2- محفظه های نگهداری نمونه (Sample Compartment or Sample Cells)
محفظه نگهداری نمونه شامل یک نگهدارنده سلول نمونه (Cell Holder) می باشد که باعث می شود مکان سلول نمونه به شکل تکرارپذیری ثابت باشد. همانند دستگاه های جذب مکولی، در فلورومترها و اسپکتروفلورومترها امکان قرار گیری چندین نگهدارنده و همچنین امکان کنترل دمای سلول و همینطور هم زدن محلول درون سلول فراهم شده است. انواع مختلفی از سلول های نمونه در این دستگاه ها استفاده می شوند . در مورد فلورومترهای ساده، سلول هایی به شکل لوله آزمایش مورد استفاده قرار می گیرند. در اغلب اوقات از سلول های مربعی شکل با ابعاد 4.3×1×1 سانتیمتر استفاده می شود. بر خلاف سلول های جذبی که از دو سمت مخالف صیقل داده می شوند این سلول ها از هر چهار طرف صیقلی هستنند. جنس سلول های لومینسانس در برخی موارد از شیشه معمولی و در اغلب موارد از سیلیکای سنتزی جوش خورده (Fused Silica) با کیفیت بالامی باشد. سلول هایی که از جنس سیلیکای جوش خورده ساخته می شوند، قادرند درصد زیادی از طول موج های ناحیه UV را از خود عبور دهند. این سلول ها کمترین میزان فلوسانس را از ساختار خود نشان می دهند. در مورد محلول های با حجم کم، سلول هایی با ابعاد میکرو طراحی شده است. در مواردی مثل آشکارسازهای دستگاه کروماتوگرافی مایع با عملکرد بالا (به مقاله HPLC مراجعه شود)، که محلول حاوی آنالیت، یک جریان پیوسته دارد، از سلول های جریان پیوسته (Flow Cell) با حجم کم استفاده می شود. تمامی انواع سلول هایی که برای فلورسانس ذکر شد، برای اندازه گیری های فسفرسانس در دمای اتاق و شیمی لومینسانس مناسب می باشند. در صورتی که اندازه گیری در دماهای پایین انجام شود، سلول های با طراحی خاص نیاز است.
برانگیختگی و نشر در سلول های لومینسانس با سه شکل هندسی متفاوت می تواند انجام شود که در شکل 3 به نمایش درآمده است. در شکل الف، نور نشر شده در زاویه 90 درجه نسبت به نور برانگیختگی اندازه گیری می شود. در این حالت سیگنال ناشی از پراکندگی کمترین شدت را داشته و به همین دلیل فرم الف بیشترین کاربرد را دارد. بعلاوه، سهم فوتولومینسانس مربوط به دیواره سلول حداقل است زیرا دیواره هایی که از سلول به صورت مستقیم تحت تابش نور منبع قرار می گیرند به طور مستقیم توسط آشکارساز دیده نمی شوند، بلکه تنها لومینسانس مربوط به حجم کوچکی از نمونه در مرکز سلول مشاهده می شود. این امر در محلول هایی که جذب زیادی دارند مشکل ساز است. چراکه قبل از رسیدن نور به مرکز سلول مقدار زیادی از آن جذب می شود. به این اثر، پیش فیلتر ( Prefilter Effect) گفته می شود. در صورتی که مقدار زیادی از سیگنال نشر شده قبل از خروج از سلول، توسط مولکول های آنالیت سر راه جذب شود، به این اثر،Post filter Effect گفته می شود. در شکل 3-ب برانگیختگی و نشر در یکی از چهار دیواره ی سلول نمونه انجام می شود(Frontal Geometry). بنابراین تضعیف سیگنال لومینسانس توسط جاذب ها کاهش می یابد . این شکل فضایی برای محلول های با جذب قوی و جامدات غیرشفاف مناسب است. شکل 3-ج، فرم هم راستا (In line Geometry) را نشان می دهد که در آن نور نشر شده در زاویه 180 درجه نسبت به نور برانگیختگی اندازه گیری می شود. این حالت کمتر مورد استفاده قرار می گیرد چرا که طول موج گزین باید سیگنال برانگیختگی را از از سیگنال ضعیف نشری تشخیص دهد. در صورتی که طول موج برانگیختگی و نشر یکسان باشد می توان پروفایل طیف جذبی را به دست آورد.

4-2- آشکارساز (Detector)
حساسیت پایین بسیاری از آشکارسازهای تجاری مانع از کاربرد آن ها به عنوان آشکاساز فلورومترها و اسپکتروفلورومتر ها می باشد چرا که توان تابشی سیگنال نشر شده بسیار کم است. در اندازه گیری های تک طول موجی به طور معمول از فوتولوله تکثیر کننده (Photo Multiplier Tube-PMT) به عنوان آشکارساز استفاده می شود. سطح جریان تاریکی(Dark Current) و نوفه جریان تاریکی در این آشکارسازها پایین است. برای روبش کامل طیف نشری، از آشکارسازهای چند کانالی (Multichannel Detector) همانندآرایه های دیودی (Diode Array) استفاده می شود. این امر به خصوص برای مطالعات سینتیک و شیمی لومینسانس که در آن ها غلظت گونه های لومینسانس کننده (و در نتیجه سیگنال لومینسانس) با زمان تغییر می کند مناسب می باشد. استفاده از آرایه های دیودی در اسپکتروفوتومترها متداول تر از اسپکتروفلورومترها می باشد.





شکل 2- الف) فرم زاویه 90 درجه، ب) فرم تاجی (Frontal Geometry) و ج) فرم هم راستا (In line Geometry)
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
5-2-پردازش داده (Signal Processing)

جریان فوتوآندی حاصل از فوتولوله تکثیر کننده ابتدا به ولتاژ تبدیل می شود. ولتاژ حاصل توسط تقویت کننده های عملیاتی(Operational Amplifier) تقویت شده و سیگنال خروجی توسط یک ولت متر دیجیتالی به نمایش در می آید. به منظور کاهش سوق (Drift) و نوفه دستگاه، می بایست از قطعات الکترونیکی آنالوگ با کیفیت بالا استفاده کرد. برای افزایش نسبت سیگنال به نوفه، مدت زمان جمع آوری داده (Integration Time) در گستره ی 0.1 تا 10 ثانیه انتخاب می شود. سرد کردن فوتولوله تکثیرکننده منجر به کاهش جریان تاریکی و نوفه شده و در نتیجه نسبت سیگنال به نوفه افزایش می یابد. در برخی از اسپکتروفلورومترها، منبع برانگیختگی به وسیله ی برشگر مکانیکی (Mechanical Chopper) مدوله شده و سیگنال حاصل پردازش می شود. به این ترتیب می توان بین سیگنال تاریکی، جریان تاریکی
f[SUP]-1[/SUP]و نوفه تقویت کننده تمایز قایل شد. همانند اسپکتروفوتومترها، کابرد میکروکامپیوترها در دستگاه های لومینسانس توانایی این دستگاه ها را به طرز چشمگیری بهبود می دهد. کنترل پارامترهایی مثل سرعت اسکن طول موج، گستره ی اسکن طول موج، پهنای شکاف و زمان جمع آوری داده توسط صفحه کلید فراهم شده است. داده های حاصل از اندازه گیری بعد از ذخیره در کامپیوتر، توسط گزینه هایی که در نرم افزار آنالیز دستگاه وجود دارد مورد پردازش بیشتر قرار می گیرد. به عنوان مثال امکان انجام عملیاتی مثل کم کردن سیگنال شاهد، محاسبه و یا نمایش طیف مشتق، فیت کردن داده های کالیبراسیون و محاسبه غلظت آنالیت، محاسبه اطلاعات آماری، و هموار کردن طیف ها (Smoothing). همینطور نرم افزارهای خاصی در دسترس اند که قابلیت کاربردهای خاصی را فراهم می کنند مثل مطالعات سینتیکی، آشکارسازی در کروماتوگرافی مایع با عملکرد بالا و آنالیز مخلوط ها.

3- نتیجه‌گیری
از جمله ویژگی هایی که در مورد دستگاه های کارامد برای انالیز ترکیبات فلورسانس کننده حائز اهمیت می باشد می توان به چند مورد اشاره کرد:
1) حساسیت بالا به این مفهوم که دستگاه بتواند غلظت های بسیار کم را نشان دهد.
2) سرعت اسکن بالا از این نقطه نظر که حجم زیادی از داده های مورد نیاز را در مدت زمان بسیار کمی جمع آوری کند، این مسئله موجب آسیب کمتری به نمونه در اثر تابش نور می شود.
3) تطبیق پذیر باشد به این مفهوم که بسته به نوع استفاده ای که از دستگاه می شود برای نمونه هایی با حالت های فیزیکی متفاوت بتوان از آن استفاده کرد، علاوه بر اینکه دسترسی به گستره ی وسیعی از بازه های زمانی، طول موجی و دمایی را فراهم کند.

یکی از متداواترین منابع مورد استفاده در فلورومترها، لامپ های جیوه ای با فشار پایین هستند. این منابع بسیاری از طول موج های مورد نیاز را برای برانگیختگی ترکیبات فلورسانس کننده به صورت گسسته فراهم می کنند. از فیلترهای جذبی به طور معمول در فلورومترها مورد استفاده قرار می گیرد. از جمله منابع پیوسته متداول در اسپکتروفلورومترها لامپ های قوس الکتریکی زنون با فشار بالا می باشند. در اسپکتروفلورومترها از یک یا دو مونوکروماتور های توری استفاده می شود.
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
فرآیندهای آسایش در پدیده لومینسانس

فرآیندهای آسایش در پدیده لومینسانس

بازگشت یک مولکول برانگیخته به حالت پایه توسط فرایند های مختلفی از نوع تابشی و غیر تابشی صورت می گیرد. به این فرایندها آسایش (Relaxation) یا غیرفعال سازی (Deactivation) گفته می شود. بهترین مسیر برای غیر فعال سازی یک مولکول برانگیخته مسیری است که در آن طول عمر حالت برانگیخته به حداقل برسد. بنابراین اگر آسایش تابشی با سرعت بیشتری نسبت به آسایش غیر تابشی صورت گیرد، فرایند غیر فعال سازی از نوع تابشی خواهد بود و بالعکس. بنابراین تحریک یک مولکول الزاما منجر به فلورسانس نمی شود. در حقیقت در بسیاری از مولکول ها سیگنال فلورسانس بسیار ضعیف است. اکثر ملکول های آلی فلورسانس کننده دارای سیستم های مزدوج (Conjugate ) با طول رزونانسی زیاد می باشند. به عنوان مثال هیدروکربن های آروماتیک چند حلقه ای فلورسانس شدیدی از خود نشان می دهند. ترکیبات فلورسانس کننده ای که بازده کوانتومی بالا دارند به لحاظ کاربرد عملی مناسب تر می باشند. اندازه گیری پارامترهایی مثل طول عمر فلورسانس به تشخیص مکانیزم غیر فعال سازی کمک می کند.


 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
1-مقدمه
در مقالات گذشته تئوری لومینسانس، دستگاهوری و تکنیک‌های مختلف آورده شده است. مقاله حاضر به توضیح بیشتر و جزئی تر مباحث پایه در لومینسانس می پردازد. به مرحله انتقال الکترون از حالت بر انگیخته به حالت پایه فرآیند آسایش یا غیرفعالسازی می گویند. به طور کلی دو نوع فرایند آسایش در فوتولومینسانس امکان پذیر است: آسایش تابشی (Radiative Deactivation) و آسایش غیرتابشی (Nonradiative Deactivation). در آسایش غیرتابشی، انرژی اضافی الکترون برانگیخته بدون اینکه نشر فوتون اتفاق بیفتد، به انرژی انتقالی (Translational Energy)، چرخشی (Rotational Energy) یا ارتعاشی (Vibrational Energy) تبدیل می شود. انتقالات میان ترازهای انرژی انتقالی، ارتعاشی و چرخشی در مقایسه با ترازهای الکترونی که در انتقالات تابشی فعال هستند، با صرف انرژی کمتر امکان پذیر است. فواصل بین ترازها به صورتی است که ترازهای ارتعاشی متعدد در میان ترازهای الکترونی، ترازهای چرخشی در میان ترازهای ارتعاشی و ترازهای انتقالی در میان ترازهای چرخشی قرار می گیرند. در مقابل مسیر های غیرتابشی، آسایش تابشی شامل نشر فوتون است.

2-فرایند های آسایش (Relaxation or Deactivation Process)
انواع پروسه های فعال و غیرفعال سازی در دیاگرام زیر که دیاگرام جابلونسکی (Jablonski Diagram) گفته می شود، نشان داده شده است (این دیاگرام حالت های الکترونی مولکول، زیر حالت های ارتعاشی و انتقالات بین این حالت ها را نشان می دهد).



شکل1- حالت های الکترونی مولکول، زیر حالت های ارتعاشی و انتقالات بین این حالت ها

مراحل اصلی ذکر شده در نمودار بالا به تفصیل در زیر آمده است:
1-2- جذب (Absorption): جذب یا تحریک بسیار سریع اتفاق می افتد ([SUP]15-[/SUP]10 ثانیه). انتقالات جذبی از حالت پایه ارتعاشی در تراز الکترونی یکتایی پایه (S0) به ترازهای مختلف ارتعاشی در اولین و دومین حالت الکترونی برانگیخته ( S2و S1) در شکل نشان داده شده است.

2-2- آسایش ارتعاشی (Vibrational Relaxation): این فرایند نوعی آسایش غیرتابشی است. ملکول های موجود در حالت های ارتعاشی برانگیخته به سرعت انرژی اضافی ارتعاشی خود را از دست داده و به سطح ارتعاشی پایه در تراز الکترونی مربوطه می روند. انرژی در این حالت به صورت گرمایی یا حرکات ارتعاشی مولکول های حلال از دست می رود. به طور طبیعی آسایش ارتعاشی به صورت گام به گام اتفاق می افتد و شرط انتقال از تراز ابتدایی (νi) به تراز نهایی (νf) رابطه Δν=1 می باشد. این بدان مفهوم است که براثر هر برخورد ملکول با ملکول های حلال، که منجر به غیرفعالسازی غیرتابشی می شود، مولکول برانگیخته یک کوانتوم از انرژی ارتعاشی خود را از دست داده و صرفا انتقال به یک تراز انرژی پایین تر در ر مرحله رخ می دهد. مدت زمان انجام این فرایند، [SUP]10-[/SUP]10 تا [SUP]11-[/SUP]10 ثانیه است.

3-2- تبدیل درونی (Internal Conversion): انتقال الکترون بین دو تراز الکترونی با چندگانگی اسپین یکسان است، که به شیوه غیرتابشی صورت می گیرد. شرط انجام این فرایند همپوشانی نمودارهای انرژی پتانسیل دو تراز الکترونی است به نحوی که انرژی حالت ارتعاشی پایین تر تراز الکترونی بالاتر و حالت ارتعاشی بالاتر تراز الکترونی پایین تر با هم برابر باشد (شکل 3). این فرایند می تواند بین دو حالت برانگیخته رخ دهد (S2→S1) و یا بین اولین حالت الکترونی برانگیخته و حالت الکترونی پایه (S1→S0) اتفاق بیفتد. مدت زمان انجام این فرایند بین حالت های الکترونی برانگیخته کوتاه است ([SUP]12-[/SUP] 10 ثانیه). تبدیل درونی از یک حالت برانگیخته الکترونی به حالت الکترونی پایه (S→S0) وابسته به نوع ملکول بوده ولی معمولا در صورتی که تفاوت انرژی زیادی بین S و S0 وجود داشته باشد، کارایی کمتری دارد. بنابراین هیچ گونه همپوشانی بین چاه های انرژی پتانسیل دو حالت وجود نخواهد داشت. بعد از تبدیل درونی، انرژی اضافی به سرعت از دست رفته و م,لکول در پایین ترین سطح ارتعاشی حالت الکترونی پایین تر قرار می گیرد.

4-2- فلورسانس: انتقال تابشی بین حالت های الکترونی با چندگانگی اسپین یکسان است. در مورد بیشتر مولکول ها، الکترون ها در حالت پایه جفت می شوند(با اسپین های مخالف) بنابراین فلورسانس شامل یک انتقال یکتایی-یکتایی است. با توجه به این که تبدیل درونی به تراز Sو آسایش ارتعاشی بعد از آن بسیار سریعتر از فلورسانس است، فلورسانس معمولا از پایین ترین تراز ارتعاشی S به حالت های ارتعاشی مختلف در تراز الکترونی پایه صورت می گیرد. بنابراین حتی اگر جذب به حالت های مختلف یکتایی برانگیخته صورت گرفته باشد تنها یک باند فلورسانس دیده می شود. به طور معمول مدت زمان فلورسانس [SUP]10-[/SUP] 10 تا [SUP]6-[/SUP]10 ثانیه است. باندهای فلورسانس ملکولی عمدتا از خطوطی تشکیل شده که طول موج بلندتر یا فرکانس کمتری (انرژی کمتر) نسبت به باند جذبی خود دارند. شیفت به طول موج های بلندتر، شیفت استوک (Stokes Shift) نیز خوانده می شود.

5-2- تبدیل بیرونی (External Conversion): نوعی آسایش غیرتابشی است که در آن حالت های برانگیخته انرژی اضافی خود را به سایر گونه ها (مثل حلال یا ملکول های حل شونده) می دهند. یکی از مکانیزم های تبدیل بیرونی، خاموشی برخوردی یا دینامیک (Dynamic or Collisional Quenching) است. در این نوع خاموشی، طی برخورد انرژی از گونه برانگیخته به سایر مولکول ها منتقل می شود. بنابراین سرعت خاموشی دینامیک با سرد کردن نمونه کاهش می یابد.

6-2-عبور بین سیستمی (Intersystem Crossing): انتقالات جذبی از حالت های یک تایی به سه تایی ممنوع است. هر چند جذب ضعیفی در مورد برخی مولکول ها امکان پذیر است. تراز برانگیخته سه تایی همچنین می تواند از طریق انتقال الکترون از ترازهای یکتایی برانگیخته پر شود. به این فرایند، عبور بین سیستمی گفته می شود. این فرایند مشابه تبدیل درونی است، با این تفاوت که انتقال الکترون بین ترازهایی که چندگانگی متفاوت دارند انجام می شود. بعد از عبور بین سیستمی، مولکول با آسایش ارتعاشی به پایین ترین حالت ارتعاشی در تراز الکترونی که در آن قرار دارد می رود.

7-2- فسفرسانس: به طور معمول تراز های سه تایی که از الکترون پر شده اند به وسیله تبدیل بیرونی و یا عبور بین سیستمی به تراز الکترونی پایه غیرفعال می شوند (T1→S0). تراز های سه تایی می توانند به وسیله نشر یک فوتون نیز غیرفعال می شود. غیر فعال سازی تابشی بین حالت های الکترونی با چندگانگی متفاوت فسفرسانس خوانده می شود. معمولا مدت زمان انجام فسفرسانس 10[SUP]4[/SUP] تا[SUP]4-[/SUP]10 ثانیه می باشد. بیشتر بودن طول عمر فسفرسانس به دلیل غیرمجاز بودن آن به لحاظ اسپینی است (تغییر چندگانگی اسپین در خلال انتقالات از دیدگاه کوانتمی غیر مجاز است). بنابراین تنها زمانی که احتمال وقوع تبدیل بیرونی با سرد کردن نمونه کاهش یابد فسفرسانس رخ می دهد. طول موج فسفرسانس یک ترکیب مشخص معمولا بلندتر از طول موج فلورسانس است، به این دلیل که انرژی T1 از انرژی S1 کمتر است.

8-2- تفکیک و پیش تفکیک (Dissociation and Predissociation): در صورتی که انرژی فوتون تحریک بزرگتر از حد همگرایی (Convergence Limit) تراز الکترونی برانگیخته باشد، پیوند پس از جذب فوتون شکسته می شود. به این فرایند، تفکیک گفته می شود. در صورتی که پیوندی بعد از انجام تبدیل درونی شکسته شود، به آن پیش تفکیک می گویند. پیش تفکیک یا تفکیک در مولکول هایی رخ می دهد که طول موج های کوتاه تر از 200 نانومتر را جذب می کنند.

9-2- واکنش های فوتوشیمیایی (Photochemical Reactions): شامل واکنش حالت های برانگیخته با حلال یا مولکول های حل شونده است. واکنش پذیری و همچنین قطبیت ملکول در حالت برانگیخته با حالت پایه کاملا متفاوت است. لذا هرچند ممکن است یک مولکول در حالت عادی با مولکولی دیگر واکنش پذیری نشان ندهد، ممکن است این دو ترکیب بتوانند در صورت برانگیختگی یکی از این دو، کاملا نسبت به یکدیگر واکنش پذیر شوند.
به این دلیل که تفاوت انرژی بین سطوح ارتعاشی در ترازهای الکترونی پایه و برانگیخته یکسان است، طیف جذبی و فلورسانس برای یک ترکیب تصاویر آیینه ای یکدیگر هستند. این دو طیف در نزدیکی انتقال اصلی (سطح ارتعاشی صفر برای S1 و S0) هم پوشانی دارند.
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
3- کارایی کوانتومی و بازده توان (Quantum Efficiency and Power Yield)
بازده که معیاری از شدت فلورسانس و فسفرسانس است، به رقابت بین مسیرهای تابشی و غیرتابشی برای غیرفعال سازی یک ترکیب وابسته است. کارایی (بازده) کوانتومی لومینسانس (
ФL)، نسبت توان تابشی لومینسانس به توان تابشی جذب شده است، که در آن توان های تابشی بر مبنای فوتون بر ثانیه بیان می شوند. بنابراین، ФL نشان دهنده کسری از فوتون های جذب شده است که به فوتون های لومینسانس تبدیل می شوند. بازده توان لومینسانس، مشابه کارایی کوانتومی لومینسانس تعریف می شود با این تفاوت که توان تابشی نور جذب و نشر شده بر حسب وات بیان می گردد.

4- طول عمر لومینسانس (Luminescence lifetime)
در صورتی که منبع تحریک به طور ناگهانی خاموش شود، سیگنال فلورسانس و فسفرسانس نزول می یابد. با توجه به این که حالت های برانگیخته معمولا با سینتیک مرتبه اول (First Order Kinetics) غیر فعال می شوند، نزول سیگنال با رابطه نمایی زیر بیان می شود:


(1)


که در این رابطه
، توان تابشی لومینسانس در لحظه خاموش کردن منبع تحریک و τL طول عمر لومینسانس است. طول عمر لومینسانس به زمانی گفته می شود که سیگنال لومینسانس به e[SUP]-1[/SUP] مقدار اولیه برسد. در برخی مواقع طول عمر لومینسانس به صورت نیمه عمر (Half-life) یعنی
تعریف می شود که مدت زمان لازم برای نزول شدت سیگنال به نصف مقدار اولیه است.


5 - خاموشی و واکنش های حالت برانگیخته
آلودگی های موجود در نمونه لومینسانس کننده توسط چندین مکانیزم منجر به کاهش سیگنال لومینسانس می شوند. نور نشر شده توسط آنالیت ممکن است به وسیله سایر گونه ها یا حتی مولکول های دیگر آنالیت دوباره جذب شود. به این پدیده، خاموشی Trivial گفته می شود. به این فرایند جذب ثانویه (Secondary Absorption) نیز می گویند تا بتوان آن را از مکانیزم هایی که غیر فعال سازی را قبل از نشر فوتون به شیوه غیر تابشی انجام می دهند تشخیص داد.

1-5- خاموشی برخوردی یا دینامیک:
خاموشی به طور معمول به انتقال انرژی غیرتابشی اطلاق می شود که از گونه برانگیخته به سایر مولکول ها اتفاق می افتد. در خاموشی برخوردی یا دینامیک بین ترکیب لومینسانس کننده و خاموش کننده (Quencher) برخورد صورت می گیرد. سرعت خاموشی وابسته به سرعت نفوذ بوده و به دما و ویسکوزیته محلول وابسته است. غلظت خاموش کننده باید به اندازه کافی زیاد باشد تا احتمال برخورد بین آنالیت و خاموش کننده طی مدت زمانی که آنالیت در حالت برانگیخته است بالا باشد. در صورتی که برخورد یک خاموش کننده منفرد با گونه لومینسانس کننده از طریق مکانیزم تبدیل بیرونی به صورت کنترل شده انجام شود، فرایند مرتبه دوم خواهد بود[1] خاموشی برخوردی توسط رابطه زیر که به رابطه استرن-وولمر معروف است بیان می شود:


(2)
که در آن kq، ثابت سرعت خاموشی دو ملکولی است،
طول عمر فلورسانس در غیاب خاموش کننده و [Q] غلظت خاموش کننده است. ثابت خاموشی استرن-وولمر توسط رابطه زیر بیان می شود:


(3)


در صورتی که خاموشی به صورت برخوردی انجام شود، ثابت استرن-وولمر با kD بیان می شود در غیر اینصورت این ثابت با kSVنشان داده می شود. با نوآرایی رابطه(3) خواهیم داشت:

(4)


با توجه به رابطه فوق، نمودار عکس سیگنال فلورسانس بر حسب غلظت خاموش کننده یک خط مستقیم خواهد بود. از روی شیب و با مشخص بودن
می توان ثابت سرعت خاموشی را محاسبه کرد. در صورتی که درصد خاموشی زیاد باشد ممکن است انحراف از حالت ایده آل مشاهده شود.توجه به این نکته ضروریست که
معادل غلظتی از خاموش کننده است که در آن سیگنال به اندازه 50 درصد کاهش می یابد[2].

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
در محلول های آبی زمانی که غلظت خاموش کننده زیر 1 میلی مولار باشد خاموشی برخوردی ناچیز است. در صورتی که طول عمر در حدی که برای فسفرسانس متداول است افزایش یابد (1 میلی ثانیه)، خاموشی برخوردی رخ می دهد. به بیان دیگر نسبت به فلورسانس، مقدار کمتری خاموش کننده برای کاهش سیگنال فسفرسانس لازم است. اکسیژن محلول، یک خاموش کننده بسیار فعال و کارامد برای حالت های سه تایی با طول عمر زیاد می باشد. غلظت تعادلی اکسیژن محلول در بسیاری از حلال ها حدود 1 میلی مولار است. بنابراین برای اندازه گیری فسفرسانس معمولا لازم است که اکسیژن محلول حذف شود و یا اینکه نمونه به حالت جامد درآید. اکسیژن، برای ترکیبات فلورسانس کننده ای مثل هیدروکربن های آروماتیک نیز خاموش کننده خوبی محسوب می شود، بخصوص اگر طول عمر فلورسانس از 10 نانو ثانیه بیشتر باشد[1].

2-5-خاموشی ایستا (Static Quenching): فرم دیگر خاموشی، ایستا است که در آن فلوروفور (Fluorophore) و خاموش کننده با یکدیگر تشکیل کمپلکس پایدار می دهند. فلورسانس تنها از فلوروفور آزادی که به فرم کمپلکس در نیامده تولید می شود. بنابراین حتی اگر این کمپلکس نور را جذب کند بدون اینکه فوتونی نشر شود به سرعت به حالت پایه باز میگردد. رابطه ای شبیه به استرن-وولمر برای خاموشی ایستا نیز صادق است. شیب نمودار عکس سیگنال فلورسانس بر حسب غلظت خاموش کننده در این حالت باkS بیان می شود. kS ثابت تشکیل کمپلکس بین فلوروفور و خاموش کننده می باشد. ذکر این نکته حائز اهمیت است که خطی بودن نمودار استرن-وولمر برای هر دو نوع خاموشی برخوردی و ایستا صدق می کند. بنابراین سوال اینجاست که چگونه می توان این دو نوع خاموشی را از یکدیگر تشخیص داد. خاموشی دینامیک و ایستا را با توجه به وابستگی متفاوت آن ها به دما، ویسکوزیته و یا اندازه گیری طول عمر فلورسانس می توان تشخیص داد. با توجه به اینکه خاموشی دینامیک جزء فرایندهای تحت کنترل نفوذ می باشد، دمای بالاتر منجر به نفوذ سریعتر و افزایش تعداد برخورد و در نتیجه افزایش خاموشی برخوردی می گردد. در مقابل، دمای بالاتر باعث شکست پیوندهای ضعیف در ساختار کمپلکس های متشکل از فلوروفور و خاموش کننده شده و در نهایت کاهش خاموشی ایستا را در پی دارد. بنابراین افزایش دما این دو نوع خاموشی را در خلاف جهت یکدیگر تحت تاثیر قرار می دهد[2]. نکته دیگر برای تشخیص این دو نوع خاموشی اندازه گیری طول عمر است. طول عمر در خاموشی ایستا تحت تأثیر قرار نمی گیرد. در صورتی که طول عمر در حضور و عدم حضور خاموش کننده یکسان باشد خاموشی ایستا و در غیر اینصورت دینامیک خواهد بود[1]. خاموشی ایستا و برخوردی به صورت شماتیک در شکل زیر به نمایش در آمده است.




شکل 2 - الف) خاموشی برخوردی و ب) خاموشی ایستا.

3-5- خاموشی برد بلند (Long-range Quenching): انتقال انرژی می تواند بین ملکول ها و بدون برخورد نیز صورت گیرد. این غیر فعال سازی غیر تابشی را خاموشی برد بلند یا خاموشی فورستر (Förster Quenching) می نامند. دلیل این پدیده می تواند کوپل شدن دو قطبی-دوقطبی بین ملکول دهنده (ترکیب لومینسانس کننده) و ملکول پذیرنده (خاموش کننده) باشد. فاصله بین ملکول دهنده و پذیرنده که به آن فاصله فورستر (Förster Distance) گفته می شود، در مورد خاموش کننده های کارآمد بین 20 تا 50 آنگستروم می باشد و می تواند به 100 آنگستروم نیز برسد. انتقال انرژی برد بلند در مواردی که طیف نشری مولکول دهنده و طیف جذبی ملکول پذیرنده همپوشانی کنند ﻣﺆثر می باشد. شرط دیگر این است که ضریب جذب مولکولی دهنده در ناحیه همپوشانی بالا باشد. سرعت انتقال انرژی با افزایش غلظت ملکول پذیرنده افزایش می یابد چرا که فاصله میانگین بین ملکول ها با افزایش غلظت کمتر می شود. وابستگی میزان خاموشی به غلظت خاموش کننده پیچیده بوده و از مدل استرن-وولمر تبعیت نمی کند. در خاموشی برد بلند، خاموش کننده با جذب انرژی از فلوروفور به حالت برانگیخته می رود. معمولا خاموش کننده توسط فرایندهای غیرتابشی غیرفعال می شود. هر چند در برخی موارد خاموش کننده ها می توانند لومینسانس کنند. به این نوع لومینسانس، حساس شده می گویند. توسط شدت سیگنال فلورسانس حساس شده می توان به میزان کارامد بودن انتقال انرژی بین ملکول دهنده و پذیرنده پی برد به این مفهوم که هر چه نشر نور ملکول پذیرنده بیشتر باشد انتقال انرژی با کارایی بیشتری انجام شده است[1،3].

4-5- واکنش های حالت برانگیخته: ملکول هایی که در حالت برانگیخته هستند می توانند با سایر ملکول ها واکنش داده و به ترتیب زیر تشکیل کمپلکس دهند:

S1+Q→S1.Q

اگر Q متفاوت از ملکول آنالیت باشد به کمپلکس در حالت برانگیخته، Exciplex گفته می شود. در صورتی که Q، ملکول آنالیت در حالت پایه باشد به آن Excimer گفته می شود. این کمپلکس های برانگیخته انرژی اضافی خود را از طریق گرما به ملکول های حلال می دهند، می توانند به یون های حلال پوشی شده تفکیک شوند و یا فوتون نشر کنند. تشکیل Excimer تنها در صورتی که غلظت آنالیت بالا باشد (بیش از 1 میلی مولار) اتفاق می افتد [1].

نتیجه‌گیری
آسایش مولکول برانگیخته طی فرآیندهای مختلفی اتفاق می افتد. در بسیاری از موارد این آسایش از مسیر غیرتابشی است. از همین روست که بسیاری از سامانه های مولکولی نشر لومینسانس انجام نمی دهند. برای برخی از مولکول های آلی با ساختار خاص، نشر لومینسانس اتفاق می افتد. لذا چنین مولکول هایی از مسیر ت تابشی به سطح پایه باز می گردند. گاه فرآیند تابش با برخی فرآیندهای آسایش غیرتابشی نیز همراه می شود. در این حالت مقداری از انرژی نور برانگیختگی، صرف فرآیندهای غیرتابشی شده و در نتیجه انرژی بازتابش ایجاد شده طول موج بلندتر (انرژی کمتر) دارد.
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
مقد مه ای برطیف سنجی مرئی و فرابنفش

مقد مه ای برطیف سنجی مرئی و فرابنفش

مطالعه برهمکنش تابش الکترومغناطیسی با ماده اسپکتروسکوپی نامیده می شود. تابش الکترومغناطیسی که با مؤلفه هایی همچون طول موج، فرکانس و سرعت مشخص می شود، دارای یک خاصیت دوگانه ذره و موج است. در حقیقت می توان تابش الکترومغناطیسی را به صورت ذرات مجزا به نام فوتون در نظر گرفت که انرژی آنها متناسب با فرکانس تابش است. طیف الکترومغناطیسی، امواج رادیویی تا پرتو های گاما را در بر می گیرد که بر حسب فرکانسشان به نام‌های گوناگونی خوانده می شوند. در طیف سنجی فرابنفش/ مرئی، جذب تابش الکترومغناطیسی باعث برانگیخته شدن الکترون های لایه ظرفیت اتم ها و مولکول ها می شود. این انتقالات الکترونی در اتم ها باعث ایجاد تعدادی خطوط جذبی باریک می شود اما در
مولکول ها پیک های جذبی پیوسته و پهن را به دست می دهند.



 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
1- خصوصیات کلی تابش الکترومغناطیسی:

اسپکتروسکوپی (Spectroscopy) علمی است که برهمکنش تابش الکترومغناطیسی را (Electromagnetic radiation) با ماده را مورد مطالعه قرار می دهد.در این گونه برهم کنش ها تابش الکترومغناطیسی را می توان به عنوان مجموعه ای از بسته های انرژی مجزا به نام فوتون (Photon) در نظر گرفت. همچنین تابش الکترومغناطیسی علاوه بر خاصیت ذره ای دارای خاصیت موجی نیز هست. این خصوصیت دوگانه تابش الکترومغناطیسی به عنوان ذره و موج، نه تنها متناقض یکدیگر نبوده بلکه مکمل یکدیگر نیز هستند. بر اساس تئوری موجی، تابش الکترومغناطیسی از دو مؤلفه میدان‌ الکتریکی و میدان مغناطیسی ساخته شده‌است. این میدان‌ها در حال انتشار موج در محیط، بر یکدیگر و همچنین بر جهت پیشروی موج عمود هستند (شکل 1).



شکل 1- میدان های الکتریکی و مغناطیسی تابش الکترومغناطیسی


میدان‌ الکتریکی تابش الکترومغناطیسی باعث به وجود آمدن پدیده هایی مانند عبور(Transmission) ،انعکاس (Reflection)، انکسار یا شکست (Refraction) و جذب (Absorption) در هنگام برهمکنش با ماده می شود. میدان‌ مغناطیسی تابش الکترومغناطیسی نیز در فرآیند جذب امواج مربوط به فرکانس های رادیویی در رزونانس مغناطیسی هسته ای (Nuclear Magnetic Resonance) مؤثر است. بنابراین در اینجا تنها میدان الکتریکی تابش الکترومغناطیسی به علت مؤثر بودن در پدیده های فوق مورد بررسی قرار می گیرد. شکل 2 مؤلفه های مرتبط با میدان الکتریکی را نشان می دهد [2و1].

دامنه (Amplitude, A) موج، طول بردار میدان الکتریکی تا نقطه بیشینه (Maximun) موج است. زمان لازم در واحد ثانیه برای عبور دو بیشینه یا دو کمینه متوالی از یک نقطه ثابت در فضا، دوره (Period, p) نامیده می شود. در حقیقت p ، زمان لازم برای یک نوسان کامل موج است. طول موج (Wavelength - λ) مسافت بین دو قله یا دو دره متوالی (دو بیشینه یا دو کمینه متوالی) است که واحد آن معمولاً واحد های مشتق شده از متر است. بسامد ( فرکانس Frequency ) تعداد نوساناتی است که میدان مغناطیسی در واحد زمانی ثانیه انجام می‌دهد و با هرتز (Hz) اندازه گیری می‌شود. فرکانس برابر با معکوس p است. عدد موجی (
Wavenumber,σ،) یک راه دیگر برای توصیف تابش الکترومغناطیسی است. عدد موجی عکس طول موج است و واحد آن cm[SUP]-1[/SUP]است. عدد موجی یک معیار مناسب است چرا که با فرکانس و همچنین انرژی پرتو تابش نسبت مستقیم دارد. توان (Power, P) تابش، انرژی باریکه ای از موج است که در هر ثانیه به سطح معینی می رسد. شدت (Intensity, I)، توان در واحد زاویه فضایی است. این کمیت ها با مجذور دامنه (A) مرتبط اند. می توان انرژی یک فوتون را به طول موج و فرکانسش ربط داد (معادله 1)[2].





که در آن E انرژی با واحد ژول (J) ، و ν فرکانس (Hz, s[SUP]-1[/SUP]) ، و h ثابت پلانک ( [SUP]34-[/SUP]10 × 6.63 ژول ثانیه)، وc سرعت نور ( 10[SUP]8[/SUP]×3.00متر بر ثانیه، در خلأ ) و λ طول موج (m) تابش الکترومغناطیسی است. فرمول (1 و 3) نشان می دهد که انرژی یک فوتون متناسب با فرکانس و عکس طول موج آن است. نکته ی دیگر اینکه فرکانس یک پرتو، تنها وابسته به منبع تابش آن است و بدون تغییر باقی می ماند. در مقایسه، سرعت تابش بستگی به محیطی دارد که پرتو از آن عبور می کند. پس با توجه به معادله (2)، می توان نتیجه گرفت که طول موج تابش هم بستگی به خصوصیات محیطی دارد که از آن عبور می کند. زیرنویس i در معادله (2) این موضوع را نشان می دهد. شکل 3 تغییرات در طول موج هنگام عبور تابش از هوا به شیشه و برعکس را نشان می دهد. سرعت انتشار تابش الکترومغناطیسی با ورود به محیط های مادی نسبت به خلأ کاهش می یابد. این پدیده به علت برهم کنش میدان الکترومغناطیسی تابش با الکترون های پیوندی موجود در ماده رخ می دهد.



شکل 3- تغییر در طول موج هنگام عبور از محیط های مختلف


از آنجایی که فرکانس پرتو تابش شده ثابت و از خصوصیات منبع است، طول موج و در نتیجه سرعت پرتو در هنگام خروج از خلأ و ورود به یک محیط مادی کاهش می یابد. شکل 3 نشان می دهد که طول موج و سرعت پرتو هنگام عبور از هوا به شیشه 30% کاهش می یابد [1].
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
2-طیف الکترومغناطیسی:

به مطالعات کمی و کیفی انجام شده در اثر برهم کنش های ماده با تابش الکترومغناطیسی، آنالیز های اسپکتروشیمیایی گفته می شود. به طور کلی این آنالیز ها با محدوده وسیعی از فرکانس سروکار دارند. این محدوده، امواج رادیویی تا پرتو های گاما را در بر می گیرد. می توان امواج الکترومغناطیسی را بر حسب فرکانسشان به نام‌های گوناگونی خواند: امواج رادیویی(Radiowaves) ، ریزموج(Microwave) ، فروسرخ (مادون قرمز، زیر قرمزInfrared, IR )، نور مرئی(Visible,Vis) ، فرابنفش(Ultraviolet, UV) ، پرتو ایکس(X-ray) و پرتو گاما(γ-ray) . این نام‌ها به ترتیب افزایش فرکانس(کاهش طول موج) مرتب شده‌اند (شکل 4). همانطور که مشخص است کسری از طیف الکترومغناطیسی که به چشم انسان قابل رؤیت است (نور مرئی)، تنها ناحیه کوچکی از کل بازه را شامل می شود [3].





شکل 4 - طیف الکترومغناطیسی


همچنین به خاطر داشته باشید با وجود اینکه چشم انسان تنها قادر به رؤیت پرتو های ناحیه مرئی است ، روش های اسپکتروسکوپی در نواحی طیفی IR, Vis, UV اغلب روش های نوری (Optical Methods ) نامیده می شوند. این امر به علت وجود جنبه های مشابه دستگاهوری (Instrumentation) و شباهت برهم کنش های تابش الکترومغناطیسی با ماده در این نواحی می باشد[2و1].
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
3 - حالت های انرژی مواد و نحوه بر هم کنش نور با ماده در ناحیه فرابنفش / مرئی:

تقریبا تمامی الکترون ها موجود در اتم ها ، یون ها و مولکول ها، در دمای اتاق، در پایدار ترین تراز انرژی خود هستند و اصطلاحاً گفته می شود که ماده در حالت پایه (Ground state) قرار دارد. اگر به هر نحوی (گرمایی، نوری، الکتریکی، واکنش شیمیایی،...) الکترون های ماده، برانگیخته (Excited) شوند، به ترازهای انرژی بالاتر خواهند رفت. در این حالت ها اصطلاحاً گفته می شود که ماده در حالت برانگیخته (Excited state)قرار دارد. گاهی اوقات انرژی وارد شده در حدی است که باعث جدا شدن الکترون از ماده و یونیزاسیون (Ionization) می شود. دو فرضیه مهم در تئوری کوآنتومی وجود دارد [1] :


فرضیه اول: هر ذره بنیادی (اتم ها، یون ها و مولکول ها) مجموعه منحصر به فردی از حالت های انرژی دارد (هر کدام از این حالت ها مقدار انرژی مشخصی دارند) که پایین ترین آنها حالت پایه است. وقتی حالت انرژی یک گونه عوض می شود، مقدار انرژی مشخص و معینی که متناسب با تفاوت بین تراز های انرژی اش است جذب یا ساطع می کند.
فرضیه دوم: وقتی که ماده یک تغییر حالت به یک تراز انرژی دیگر انجام می دهد که منجر به جذب یا نشر می شود، در حقیقت یک فرکانس یا طول موج معین از تابش الکترومغناطیسی را جذب یا نشر می کند. این فرکانس یا طول موج، ویژگی منحصر به فرد ماده بوده و دقیقاً برابر است با تفاوت بین دو تراز انرژی که تبادل الکترونی بین آنها اتفاق افتاده است. معادله 4 این موضع را نشان می دهد که در آن *E انرژی تراز بالاتر و E0 انرژی تراز پایین تر است.




برحسب اینکه طیف سنجی در کدام ناحیه طیفی انجام شود و کدام خصوصیات تابش (جذب، نشر، عبور، پراکندگی، انعکاس و...) بررسی شود، نوع انتقالات الکترونی ودر نتیجه نوع طیف سنجی و دستگاهوری متفاوت خواهد بود.
در نامگذاری طیف بینی، جذب فرآیندی است که در آن یک گونه شیمیایی در یک محیط شفاف به طور گزینشی فرکانس های خاصی از تابش الکترومغناطیسی را تضعیف میکند (شدت آن را کاهش می دهد). در ناحیه فرابنفش / مرئی، انرژی تابش الکترومغناطیسی در حدی است که باعث انتقالات الکترونی در الکترونهای لایه ظرفیت(Valence electrons) می شود. برای اتم ها و یون ها در حالت عنصری انرژی هر تراز از حرکت الکترون ها اطراف هسته ناشی می شود. به این حالت های انرژی، تراز های انرژی الکترونی(Electronic states) گفته می شود. مولکول ها علاوه بر داشتن ترازهای انرژی الکترونی، ترازهای انرژی ارتعاشی(Vibrational states) و چرخشی(Rotational states) هم دارند. این تراز ها به ترتیب از ارتعاش بین اتمها در مولکول و از چرخش مولکول ها حول مرکز جرمی خودشان در فضا ناشی می شود. در نمودار سطوح ترازهای انرژی، ترازهای چرخشی متعددی در بین دو سطح ارتعاشی و ترازهای ارتعاشی متعددی نیز در بین سطوح ترازهای الکترونی قرار می گیرند. بر این اساس هر تراز الکترونی تراز های ارتعاشی و هر تراز ارتعاشی نیز به نوبه خود ترازهای چرخشی خاص خود را دارد. هر کدام از این حالات انرژی حدود ده مرتبه نسبت به یکدیگر کوچکترند (شکل 5).




شکل 5- تراز های انرژی در اتم ها (راست) و مولکول ها (چپ) [4]


در جذب اتمی، باریکه ای از تابش فرابنفش و مرئی از یک محیط حاوی اتم های گازی عبور می کند و تنها فرکانس های کمی توسط جذب در اتم تضعیف می شوند. چون اتم ها فقط دارای تراز های انرژی الکترونی هستند، طیف جذبی اتم ها شامل تعدادی خط(Line Spectra) جذبی باریک است. شکل 6 طیف جذبی فرابنفش / مرئی برای اتم های سدیم گازی است. محور عمودی جذب(Absorbance) است که مقیاسی از درجه تضعیف پرتو تابش است.



شکل 6- طیف جذبی برای بخار اتم سدیم

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
در مقابل هنگامی که مولکول ها با تابش فرابنفش و مرئی برانگیخته شوند متحمل هر سه نوع انقالات کوآنتومی فوق می شوند (الکترونی، ارتعاشی، چرخشی). جذب مولکولی معمولاً به یک یا چند نوار جذبی(Band spectra) الکترونی منجر می شود که هر یک ازآنها از تعداد بی شماری خط مجزای نزدیک به هم تشکیل شده است. هر خط از انتقال یک الکترون از حالت پایه به یکی از چندین حالت انرژی ارتعاشی وچرخشی مربوط به هر حالت انرژی الکترونی برانگیخته حاصل می شود. از آنجا که تعداد بی شماری حالت های ارتعاشی و چرخشی وجود دارد، و چون انرژی آنها تفاوت کمی دارد، تعداد خط های موجود در نوار نوعی زیاد است و فاصله آنها از یکدیگر بسیار ناچیز است. شکل 7 قسمت a که قسمتی از طیف جذب مرئی برای بخار 1، 2، 4، 5 تترازین است، ساختار ظریفی(Fine Spectrum or Fine Structure) را نشان می دهد. در حالت گازی، مولکول های تترازین به اندازه کافی از یکدیگر جدا هستند تا به طور آزاد ارتعاش و چرخش کنند. تعداد زیادی خط جذبی تک حاصل از تعداد زیاد حالت های انرژی ارتعاشی / چرخشی به وضوح آشکار است. با این وجود، در حالت متراکم یا در محلول آزادی برای چرخش تا حد زیادی از بین میرود و خط های مربوط به تفاوت در تراز های انرژی چرخشی محو می شود. علاوه بر این، در محلول، به دلیل برخورد های موجود با مولکول های حلال، انرژی ترازهای ارتعاشی مختلف به طریق نامنظمی تغییر می کنند. در این حالت، انرژی یک تراز معین در مجموعه ای از مولکول ها شکل توزیع گوسی (زنگوله مانند) را به خود می گیرد. نتیجه این عمل پهن شدگی خط است. این اثر در حلال های قطبی مانند آب (شکل 7 قسمت c) در مقایسه با محیط های هیدروکربن غیر قطبی آشکارتر است (شکل 7 قسمت b ).




شکل 7 - طیف های جذبی مرئی ترکیب 1، 2، 4، 5 تترازین


در حقیقت انرژی کلی( E) مربوط به یک مولکول با رابطه زیر نشان داده می شود:


عبارت آخر انرژی انتقالی مولکول را به نمایش می گذارد. این انرژی از انتقال کل مولکول در فضا یا به عبارت دیگر از حرکت مرکز جرم مولکول در سه بعد Z , Y, X ناشی می شود. همانطوری که گفته شد انرژی چرخشی، انرژی مربوط به چرخش مولکول حول گرانیگاه آن و انرژی ارتعاشی، به طور کلی مربوط به ارتعاشات اتم ها در مولکول است. اما انرژی الکترونی، انرژی مربوط به انتقالات الکترونی در اوربیتال های بیرونی مختلف مولکول است. مثلاً در شکل 6 انتقالات مربوط به برانگیخته شدن بیرونی ترین الکترون تک سدیم از حالت پایه اوربیتال 3s به اوربیتال های 3p و 4p و 5p است. در مولکول ها انتقالات در اوربیتال های مولکولی اتفاق می افتد. این اوربیتال ها از ادغام اوربیتال های اتمی حاصل می شوند (شکل 8) [5].



شکل 8 - تولید اوربیتال های مولکولی از ادغام اوربیتال های اتمی



بحث و نتیجه گیری
در این مقاله توضیح کلی در مورد تابش الکترومغناطیسی، رفتار دوگانه موج- ذره ی آن، خواص و پارامترهای موج، انواع انتقالات در اتم ها و مولکول ها و نحوه بر هم کنش تابش الکترومغناطیسی با ماده در ناحیه فرابنفش / مرئی صحبت شده است.
 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
طیف سنجی جذبی فرابنفش و مرئی

طیف سنجی جذبی فرابنفش و مرئی

جذب (Absorbance) فرآیندی است که در آن یک ماده به طور گزینشی، انرژی فرکانس های خاصی از تابش الکترومغناطیسی را جذب نموده و در نتیجه پرتو تابشی اولیه را تضعیف می کند. طیف سنجی فرابنفش و مرئی، جذب تابش الکترومغناطیسی توسط ماده در ناحیه فرابنفش / مرئی است. مولکول های آلی، گونه های معدنی و کمپلکس های انتقال بار سه دسته مهم از جاذب ها در طیف سنجی فرابنفش و مرئی هستند. مهمترین انتقالات ترکیبات آلی مربوط به دو انتقال n به *π و π به *π است. الکترون های مسئول جذب در گونه های معدنی در اوربیتال های d و f قرار دارند و جذب انتقال بار در کمپلکس ها نیز محصول یک نوع فرآیند اکسایش/کاهش درونی است. ممکن است تمام انرژی یک فرکانس از تابش توسط ماده جذب نشود. عبور ( transmittance) مقیاسی از کمیّت نور جذب نشده است. جذب نیز یک کمیّت بدون واحد است که با غلظت رابطه مستقیم دارد. قانون بیر-لامبرت (Beer-Lambert) رابطه ی بین جذب و غلظت را بیان می کند. یکی از عواملی که بر طیف های جذبی اثر می گذارد قطبیّت حلال است که بر حسب نوع انتقال می تواند باعث ایجاد انتقال در فرکانس نور قابل جذب (انتقال قرمز به سمت فرکانس های کمتر یا آبی به سمت فرکانس های بیشتر شود.

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
1- مقدمه ( انتقالات الکترونی و گونه های جاذب ):

در این بخش انواع گونه های مولکولی را بررسی می کنیم که تابش فرابنفش یا مرئی را جذب می کنند و بنابراین می توانند توسط طیف بینی جذبی تعیین مقدار شوند. سه نوع کلی از انتقالات الکترونی باعث جذب در طیف سنجی فزابنفش / مرئی هستند. این انتقالات در سه دسته از ترکیبات دیده می شود: دسته ی اول جذب توسط مولکول های آلی، دسته ی دوم جذب توسط گونه های معدنی و دسته ی سوم جذب توسط کمپلکس های انتقال بار.
دسته ی اول جذب های مربوط به انتقالات الکترونی الکترون های موجود در اوربیتال های n(اوربیتال غیر پیوندی)،
σ (اوربیتال پیوندی) و π (اوربیتال پای) است. اینگونه انتقالات بیشتر در مولکول های آلی انجام می شوند (شکل 1). برای آشنایی بیشتر با ترکیبات آلی می توانید به مقاله " شیمی ترکیبات کربن" مراجعه نمایید. به طور کلی دو نوع الکترون مسئول جذب فرابنفش / مرئی در مولکول های آلی هستند. الکترون های پیوندی که مستقیماً در تشکیل پیوند شرکت دارند (مانند الکترون های σ) و بنابراین با بیش از یک اتم همراهند و الکترون های خارجی غیر پیوندی (الکترون های n) که تا حد زیادی حول اتم هایی مانند اکسیژن، هالوژن ها، گوگرد و نیتروژن (هترواتم‌ها) مستقرند. طول موج مشخصی که در آن یک مولکول آلی تابش را جذب می کند به این که چه مقدار الکترون های مختلف محکم پیوند شده اند بستگی دارد. الکترون های پیوندی در پیوند های یگانه مانند کربن-کربن یا کربن-هیدرژن به حدی محکم نگهداشته می شوند که برانگیختن آنها به انرژی هایی متناظر با طول موج هایی زیر 190nm که در ناحیه فرابنفش خلاً (Vacuum UV) قرار می گیرند، نیاز دارد. طیف های پیوند یگانه برای مقاصد تجزیه ای زیاد مورد مطالعه قرار نگرفته اند.




شکل 1- انتقالات الکترونی در مولکول ها



ترکیبات آلی حاوی پیوند های دوگانه یا سه گانه (Multiple Bonds) معمولاً پیک های جذبی مفیدی را نشان می دهند. زیرا الکترون ها در پیوندهای سیرنشده (Unsaturated) نسبتاً شل نگه داشته می شوند (معمولا الکترون های π) و بنابراین به سهولت برانگیخته می شوند. گروه های عاملی آلی سیر نشده ای که در ناحیه فرابنفش و مرئی جذب دارند را اصطلاحاً رنگساز (Chromophore) می گویند. ترکیبات آلی حاوی گوگرد (S)، برم (Br) و ید (I) نیز در ناحیه فرابنفش جذب می کنند، زیرا این عناصر دارای الکترون های غیرپیوندی هستند که در مقایسه با الکترون های پیوندی یک پیوند سیر شده راحت تر برانگیخته می شوند و بنابراین به آسانی توسط فوتون ها برانگیخته می گردند [1]. پس با توجه به مباحث فوق، انتقالات الکترونی ممکن با الکترون های موجود در اوربیتال های n، σ و π به این ترتیب اند (شکل 1)؛ انتقالات σ به * σ ، σ به *π ، π به *σ که احتیاج به انرژی زیادی دارند. به طور مثال جذب پیوند C-H متان (σ به * σ ) در طول موج 125nm است. جذب های مربوط به این انتقالات در طیف های Uv-Vis معمولی دیده نمی شوند. جذب های مربوط به انتقالات n به *σ در مولکول های دارای اتمهایی با زوج الکترون های آزاد مشاهده می شود. این گونه جذب ها در نواحی nm 150-250 قرار می گیرند. البته تعداد گروه های عاملی که این انتقال را دارند اندک است. اکثر انتقالات ترکیبات آلی بر اساس انتقال الکترون هایشان از اوربیتال های n و π به *π است. یعنی دو انتقال n به * π و π به *π . اینگونه انتقالات نیازمند وجود یک گره غیر اشباع در مولکول است و نسبت به انتقالات قبلی نیازمند انرژی کمتری هستند[2و3].
دسته ی دوم، جذب های مربوط به یون های کمپلکس و مولکول های معدنی است. طیف های این گونه ها مشابه با طیف های ترکیبات آلی است ولی یک پیک جذبی پهن است ایجاد می نماید. طیف های مربوط به لانتانید ها و اکتینید ها (Lanthanides، Actinides) یک استثنای مهم است. از آنجا که به ترتیب الکترون ها در ترازهای f4 و f5 مسئول جذب نور هستند، این الکترون ها توسط دیگر الکترون های اتم (که در اوربیتال هایی با اعداد کوانتومی اصلی بزرگتر هستند) پوشیده شده (Shielding Effect) و بنابراین از آثار خارجی حفظ می شوند. این امر باعث می شود که نوار های جذبی حاصله باریک شوند (پیک پهنی مشاهده نمی شود). دلیل آن است که الکترون های مسئول جذب تقریبا تحت تأثیر ماهیت گونه های پیوند شده (محیط شیمیایی) و الکترون های بیرونی قرار نمی گیرند. با چند استثناء، یونها و کمپلکس های 18 عنصر در اولین دو سری واسطه، در حداقل یکی از چند حالت اکسایش خود رنگی اند (در ناحیه مرئی فعالند). جذب تابش مرئی توسط این گونه ها شامل انتقالات الکترون ها بین اوربیتال های d پرشده و پرنشده ای است که بر اثر لیگاند های پیوند شده به یون های فلزی از نظر انرژی با هم تفاوت دارند. اختلاف بین اوربیتال های d (و بنابراین موقعییت پیک جذبی مربوطه) به حالت اکسایش عنصر، موقعیت آن در جدول تناوبی و نوع لیگاند پیوند شده به آن بستگی دارد.
در نهایت دسته ی سوم جذب متناظر با انتقال بار است. این گونه انتقالات بیشتر در کمپلکس های آلی و معدنی انجام می شوند و به آنها کمپلکس های انتقال بار (Charge Transfer Complexes-CTC) می گویند. این انتقالات دارای حساسیت بسیار بالایی هستند و ضرائب جذب مولی بسیاربالایی دارند (در ادامه در مورد ضریب جذب مولی صحبت خواهیم کرد). یک کمپلکس انتقال بار متشکل از یک گروه الکترون دهنده (Electron Donor) و یک الکترون پذیرنده (Electron Acceptor) است. هنگامی که کمپلکس تابش را جذب می کند، یک الکترون از دهنده به اوربیتالی منتقل می شود که عمدتاً مربوط به گیرنده است. بنابراین حالت برانگیخته درنتیجه یک نوع فرآیند اکسایش / کاهش درونی رخ می دهد. در حقیقت طیف های انتقال بار هنگامی حاصل می شود که جذب یک فوتون، یک الکترون را از لیگاند به فلز یا از فلز به لیگاند در کمپلکس های فلزات واسطه ارتقاء دهد. این رفتار با رفتار یک رنگساز آلی (Organic Chromophore) که در آن الکترون برانگیخته در اوربیتال مولکولی است (معمولا الکترون ها در اوربیتال های مولکولی n و *π)، تفاوت دارد. رنگ قرمز کمپلکس آهن (III) / تیوسیانات مثالی از جذب انتقال بار است. در این کمپلکس جذب یک فوتون به انتقال یک الکترون از یون تیوسیانات به اوربیتالی منجر می شود که عمدتاً مربوط به یون آهن (III) است و محصول عمدتاً شامل آهن (II) و رادیکال تیوسیانات است [1].

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
2 - معرفی چند اصطلاح در طیف بینی جذبی:

1-2- عبور (Transmittance):
شکل 2 باریکه ای از تابش را نشان می دهد که از درون لایه ای از محلول با ضخامت( b (cm و غلظتی معادل c با واحد M از گونه جاذب عبور کرده است.





شکل 2- کاهش توان باریکه ای از تابش توسط یک محلول جاذب

در اثر برهم کنش بین فوتون ها و ذرات جاذب، توان باریکه از P0 به P کاهش می یابد. طبق تعریف، عبور (Transmittance , T) کسری از تابش فرودی است که توسط محلول عبور داده می شود (معادله 1). عبور اغلب به صورت درصد گزارش می شود.

(1) T= P / P0

2-2 جذب

جذب (Absorbance, A) توسط معادله 2 تعریف می شود:


(2) (A= -Log10 (T) = Log10 (P0 / P

افزایش در تضعیف توان باریکه تابش عبور کرده از محلول به معنای افزایش جذب و کاهش عبور است. در صورتی که خروجی یک طیف نورسنج هم بر حسب عبور و هم بر حسب جذب درجه بندی شود، بر طبق معادله 2 مقیاس جذب باید لگاریتمی باشد. شکل 3 خروجی یک طیف نور سنج را نشان می دهد.مقیاس های خروجی روی برخی طیف نور سنج ها بر حسب درصدعبور خطی اند. به طوری که در شکل نشان داده شده است، در این صورت مقیاس های جذب باید لگاریتمی باشند [4].








شکل 3- قانون بیر-لامبرت (The Beer-Lambet Law)

ε مشخص می گردد (معادله 4).

رابطه بین جذب و غلظت توسط قانون بیر-لامبرت را بیان می شود. این قانون در حقیقت بیان می کند که یک رابطه تابعی خطی بین کمیّت اندازه گیری شده در یک روش جذبی (A) و کمیّت مورد بررسی (غلظت آنالیت c ) وجود دارد (معادله 3).



(3) A = Log10 (P0 / P) = abc


در رابطه بالا a ثابت تناسب به نام ضریب جذب ( Absorption or Extinction Coefficient) و b طول مسیر تابش از درون جاذب(محفظه حاوی نمونه، سل Cell) است (شکل 2). از آنجایی که جذب کمیّتی بدون واحد(Unit less) است، واحد ضریب جذب طوری است که واحدهای b و c را حذف می کند. چنانچه غلظت در معادله (3) بر حسب مولاریته (مول بر لیتر) و b بر حسب cm بیان شود،ثابت تناسب ضریب جذب مولی نام دارد و با نماد ε مشخص می گردد(معادله 4).


(4) A = εbc


که در این صورت واحد ε برابر است با L cm[SUP]-1[/SUP]mol[SUP]-1[/SUP]. به عبارت دیگر ε مقدار تابش جذب شده در واحد غلظت است. در حقیقتε برای یک ماده مشخص ثابت است وبه ماهیت گونه، نوع حلال و طول موج پرتو عبوری بستگی دارد. بنابر این با کاهش غلظت، جذب کاهش یافته تا ضریب جذب مولی ثابت بماند. در نهایت این طور انتظار می رود که یک ترکیب با ε بالا (مثل کمپلکس های انتقال بار) به طور مؤثری تابش را جذب کند و بنابراین در غلظت های کم هم به دلیل جذب شدید، قابل شناسایی و تعیین مقدار باشد [1و 5].

در نهایت باید ذکر شود که قانون بیر-لامبرت تنها در توصیف رفتار جذب محلول های رقیق موفقیّت دارد و معمولاً در غلظت های بزرگتر از
0.01M فاصله های میانگین بین ذرات جاذب به حدی کاهش می یابد که هر ذره بر توزیع بار همسایه های خود اثر می گذارد. این بر هم کنش توانایی ذرات را برای جذب یک طول موج معین تابش تغییر میدهد. انحرافات از قانون بیر-لامبرت همچنین به این علت مشاهده می شود که ضریب جذب مولی به ضریب شکست محلول (Refractive Index) بستگی دارد. بنابراین اگر تغییرات غلظتی باعث تغییرات قابل توجهی در ضریب شکست محلول بشود، انحرافاتی از قانون بیر-لامبرت مشاهده می شود. به طور کلی این اثر در غلظت های کمتر از 0.01M کوچک و به ندرت قابل توجه است [1].

 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
4- اثر حلال ها در طیف سنجی فرابنفش / مرئی :

همان طوری که مطرح شد طیف های فرابنفش / مرئی اکثراً در محلول های رقیق آنالیت ثبت می شوند. البته در مورد ترکیبات فرّار، طیف های مفید تر هنگامی به دست می آیند که نمونه به صورت گاز آزمایش شود. حلال، برای طیف بینی فرابنفش / مرئی باید در طول این ناحیه شفاف باشد (جذب نداشته باشد) و مقدار کافی آنالیت را برای تولید پیک های کاملاً مشخص در خود حل کند. علاوه براین، احتمال برهم کنش حلال با گونه جاذب هم باید مد نظر باشد [1] دیده شده که وقتی طیف جذبی یک گونه در حلال های مختلف با قطبیت Polarity )، پلاریته ( های مختلف ثبت شده است؛ موقعیّت، شدت و شکل طیف تحت تأثیراین تغییر قطبیت قرار گرفته است. عبارت Solvatochromism برای توصیف تغییرات طیف جذبی در اثر تغییر قطبیت محیط کار برده می شود. پدیده Solvatochromism ناشی از اثر تغییر در ساختار الکترونی و توزیع بار در حالت های پایه و برانگیخته با تغییر پلاریته محیط است. اگر دریک انتقال الکترونی یک حالت انرژی قطبی تر از حالت دیگر باشد باشد، افزایش پلاریته حلال باعث پایدارتر شدن این حالت انرژی می گردد. مثلاً در انتقال
π به *π با افزایش قطبیت حلال، سطح انرژی*π پایدارتر از سطح انرژی π خواهد شد (شکل 4) و به همین علت، کاهش سطح انرژی *π بیشتر از π خواهد بود (*π سطح قطبی و π سطح غیرقطبی است). این امر باعث می شود که در این حالت فاصله بین ترازهای انرژی کمتر شده و انرژی کمتری برای انجام این انتقال الکترونی لازم باشد و در نتیجه پیک جذب به سمت طول موج های بلندتر (انرژی و فرکانس های کمتر) برود. به این حالت انتقال قرمز(Red Shift, Bathochromic Shift) و یا Positive Solvatochromism می گویند.





شکل 4- تغییرات در انتقال π به *π در اثر افزیش پلاریته حلال

حالت دیگر حالتی است که با افزایش قطبیت حلال، حالت پایه پایدارتر شود؛ مثل انتقال n به *π (شکل 5). در این حالت به علت کاهش سطح انرژی n نسبت به *π ، فاصله بین ترازهای انرژی بیشتر شده و انرژی بیشتری بری انجام این انتقال الکترونی لازم خواهد بود و در نتیجه پیک جذب به سمت طول موج های کوتاه تر (فرکانس های بلندتر) می رود. به این حالت انتقال آبی (Blue shift, Hypsochromic shift) و یا Negative solvatochromism می گویند[6 و7].





شکل 5- تغییرات در انتقال n به *π در اثر افزیش پلاریته حلال

دو اصطلاح دیگر هم در مورد تغییرات طیفی در این ناحیه به کار برده می شود: Hypochromic Shift و Hyperchromic Shift که به ترتیب مربوط به کاهش و افزایش درε است [8]. مزدج شدن (Conjugation C=C-C=C, C=C-C=O, Ph-C=C) معمولاً باعث ایجاد Hyperchromic Effect و همزمان باعث Bathochromic Shift می شود (شکل 6).




شکل 6- انتقال های Bathochromic, Hypsochromic, Hyperchromic, Hypochromic


5- طیف های تشدید پلاسمون سطحی (SPR) در نانوذرات فلزی:

همانگونه که در بالا ذکر شد، فرآیند جذب نور در خصوص مولکول های آلی معمولا به برانگیختگی الکترون های موجود در اوربیتال های مولکولی نسبت داده می شود. برخی از نانوذرات فلزی (به طور ویژه Au و Ag) رفتار جذبی مشابهی را نشان می دهند. به دلیل فقدان اوربیتال های مولکولی در ساختار نانوذرات فلزی، جذب نور در این مورد به پدیده تشدید پلاسمون سطحی (Surface Plasmon Resonance-SPR) مربوط است[9]. به طور ساده می توان گفت که دریایی از الکترون های غیرمستقر بر سطح یک نانوذره فلزی شناورند. در فلزاتی خاص (که مشخصا قابلیت SPR را نشان می دهند)، جذب نور منجر به تشدید نوسان این الکترون های سطحی می شود. رنگ محلول های کلوئیدی طلا و نقره با اندازه ذرات نانو به همین پدیده ربط داده می شود. در مقالات تخصصی SPR و همچنین مقالات مربوط به نانوذرات فلزی (به خصوص نانوذرات فلزات نجیب) بیشتر به مقوله SPR پرداخته می شود.

6 - بحث و نتیجه گیری:
در این مقاله در مورد انتقالات الکترونی، انواع مولکول های جاذب در ناحیه فرابنفش / مرئی، قانون بیر-لامبرت، انتقال آبی و قرمز و پدیده ی Solvatochromism صحبت شده است. همچنین رفتار SPR محلول های کلوئیدی برخی نانوذرات فلزی به صورت مختصر ارائه گردیده است.



 

P O U R I A

مدیر مهندسی شیمی مدیر تالار گفتگوی آزاد
مدیر تالار
انرژی تابشی متشکل از دو میدان نوسانی و مغناطیسی والکتریکی است که
در فصا با حرکت موجی انتقال می یابدبرای هر موج فاصله در ماکزیمم یا دو مینیمم یک طول موج یا لاندا نامیده می شود
امواج الکترومغناطیس شامل محدوده وسیعی از طول موج ها هستند که تنهابخش کوچکی از آن توسط چشم ما قابل دیدن استاین امواج از طول موجهای بسیار کوتاه با انرژی های بسیار بزرگ مانند اشعه گاما تا طول موج های بسیار بلند باانرژی های بسیار کم مانند امواج رادیویی را در برمیگیرند . از این بین تنها بخش کوچکی از امواج توسط چشم ماقابلدیدن می باشد
وقتی شعاعی از تابش الکترومغناطیس از یک منشور میگذرد ، شکستهمی شود . درجه شکست بستگی به طول موج آن شعاع دارد طول موج های کوتاه بیش از طول موج های بلند شکسته میشوند بنابراین برای تجزیه یک شعاعتابش متشکل از طول موجهای مختلف به طول موج های تشکیل دهنده آنمی توان از منشور استفاده کرد

طیف پیوسته

چون نور سفید ترکیبی از تمامی رنگهاست و تمامی طول موجهای محدودهمرئی راشامل میشود پس اگر از منشور عبور کند نوار عریضی از رنگها را شامل میشود که مانند رنگین کمان پیوسته ای است که در آن کناره هر نوار رنگی به کناره نوار مجاوردر هم می آمیزد مثلا بنفش در آبی و آبی در سبز و ....به این طیف، طیف پیوسته میگویند زیرا تمامی طول موج ها در بر می گیرد
ولی اگر شعاعی که از منشور میگذرد همه طول موج ها نداشته باشد طیفحاصله یک طیفی است که طیف خطی نامیده میشود طیف خطی فقط شاملطول موجهای معینی بوده و در بین خطوط مربوط به طول موجهای خاص نوار هایتاریک دیده میشود
از دیدگاهی دیگر طیف ها را می توان به دو نوع جذبی و نشری تقسیم کرد
طیف جذبی :
وقتی به یک ماده نوری را میتابانیم ماده قسمتی از نور تابیده شده را جذب کردهوباقی را عبور دهد اگر نور عبور کرده را از یک منشور عبور دهیم به طیف حاصله طیف جذبی میگویند . طیف جذبی میتواند خطی یا پیوسته باشد

طیف نشری :
اگر یک ماده را از طریق حرارت دادن ویا قوس الکتریکی و یا یه هر طریق دیگر به شدت گرم کنیم ماده از خود نور تابش میکند ( پدیده نشر ) در صورتیکه تابش نشرشده را از یک منشور عبور دهیم به طیف حاصله طیف نشری گفته میشودطیف نشری هم میتواند خطی یا پیوسته باشد
طیف نشری خطی
طیف نشری پیوسته

طیف نشری خطی اتم ها :
اگر اتم های گازی شکل یک عنصر را در یک قوس الکتریکی ، یک جرقه الکتریکی ، ویا شعله گرم کنیم نور از آنها منتشر میشود . اگر شعاعی از این نور را توسطمنشور تجزیه کنیم یک طیف خطی حاصل میشود از این رو به آن طیف نشریخطی اتمی میگویند
برای بررسی چگونگی این پدیده ، اتم هیدروژن را در نظر میگیریم : اتم هیدروژن تنها دارای یک الکترون است واین الکترون در پایین ترین مدار آن یعنی مدار اول قرار داردبه این حالت، حالت پایه می گویند . وقتی اتم هیدروزن را گرم کنیم الکترون آن تحریک شده وبا جذب انرژی از تراز پایه به تراز های بالاترمی جهد این حالت را حالت برانگیخته می گویند . ولی الکترون در تراز های بالا ناپایدار بوده و با رها کردن انرژی جذب کرده به تراز های پایین تر بر می گردد و این بار انرژی کسب کرده را به صورت تابش بر می گردانداگر الکترون از تراز i به تراز f ارتقا یابد به اندازه تفاوت انرژی این دو تراز یعنی به اندازه( E[SUB]f[/SUB] – E[SUB]i[/SUB]) انرژی جذب میکند و در برگشت در صورتی که به همان تراز iبرگردد همان مقدار انرژی را نشر میکند .بنابراین می توان نتیجه گرفت هرچه تفاوت انرژی دو لایه بیشتر باشد انرژی نورنشری بیشتر و طول موج آن کوتاه تر است . طول موج تابش نشر شره درانتقالات را می توان با بکار گیری فرمول زیر محاسبه کرد
در شکل زیر کلیه انتقالات الکترونی اتم هیدروژن نشان داده شده اندچنانچه روشن است در انتقالات اتم هیدروزن چندین سری دیده میشود :
ا) سری لیمان : ( n[SUB]i[/SUB]→n[SUB]1[/SUB] ) چون در این انتقالات برگشت به تراز اول صورتمیگیرد . انرژی نور حاصله بسیار بالا بوده و طول موج ان به قدری کوتاه است که در منطفه فرا بنفش قرار می گیرد . از این رو سری لیمان طیف قابل دیدن ندارد

2) سری بالمر ( n[SUB]i[/SUB]→n[SUB]2[/SUB] )
: در این سری ، الکترون برانگیخته به تراز دوم بر
میگردد . انرژی وطول موج مربوط به این انتقالات در محدوده مرئی بوده و طیف آن قابل دیدن است4 طیف مرئی در سری بالمر ناشی از انتقالات زیر هستند :( n[SUB]6[/SUB]→n[SUB]2[/SUB] ) به رنگ بنفش با طول موج ۴۱۰ نانومتر ( n[SUB]5[/SUB]→n[SUB]2[/SUB] ) به رنگ آبی با طول موج ۴34 نانومتر
( n[SUB]4[/SUB]→n[SUB]2[/SUB] ) به رنگ سبزبا طول موج 486 نانومتر
( n[SUB]3[/SUB]→n[SUB]2[/SUB] ) به رنگ قرمز با طول موج۶۵۶ نانومتر
برای دستیابی به انیمیشن چگونگی تابش اتم ئیدروژن و خطوط طیفی آن بررویلینککلیک کنید
3) سری پاشن ( n[SUB]i[/SUB]→n[SUB]3[/SUB] ) : بر گشت الکترون به تراز سوم میابشد . اختلافانرژی در تراز های بالاتر کمتراست بنابراین در سری پاشن اختلاف انرژی به قدر کافی کم وطول موج به اندازه کافی بزرگ است که این انتقالات در محدودهفروسرخ قرار بگیرند از این روطیف سری پاشن هم قابل رویت نیست

4) سری براکت ( n[SUB]i[/SUB]→n[SUB]4[/SUB] ): برگشت به تراز چهارم است و مانند سری
لیمان در محدوده فروسرخ قرار گرفته از این رو سری براکت نیز طیف مرئیندارد

نکته

1. هم در طيف نشری و هم در طيف جذبي هر عنصر ، طول موجهاي معيني
وجود دارد كه از ويژگيهاي مشخصه آن عنصر است. يعني طيفهاي نشری وجذبي هيچ دو عنصري مثل هم نيست.

2. اتم هر عنصر دقيقا همان طول موجهايي از نور سفيد را جذب مي‌كند كه اگر
دماي آن به اندازه كافي بالا رود و يا به هر صورت ديگر بر انگيخته شود، آنها را تابش مي‌كند.
 
بالا