فسفرسانس، فلوئورسانس، لومينسانس
فسفرسانس، فلوئورسانس، لومينسانس
فسفرسانس و فلوئورسانس:
پديده هايي هستند كه در آنها يك ماده خاص كه بطور عام به آن فسفر گفته ميشود پس از قرار
گرفتن در مقابل نور مرئي يا غيرمرئی يا حرارت ( تحريك شده ) اين انرژي را در خود ذخيره ميكند
و سپس آن انرژي را بصورت طيفي از امواج مرئي در طول مدت زماني منتشر مي كند . اگر اين
بعنوان شباهت اين دو پديده باشد تفاوت آنها در اختلاف زماني بين اين دو دريافت و تابش يا به
عبارت ديگر دوام تابش است .
اگر زمان تحريك كمتر از ۱۰ به توان ۸- ثانيه باشد، اين پديده را Fluorescent مي ناميم و اگر زمان
تحريك بيش از ۱۰ به توان ۸- ثانيه باشد آن را Phosphorescent مي ناميم.
به عبارتي در فسفرسنس تحريك طولاني تر و تشعشع طولاني تري داريم و در فلوئورسنس تحريك
كوتاهتر تر و تشعشع كوتاهتري تري داريم.
در فلوئورسانس كه نمونه آن نور مهتابي يا صفحه تلويزيون است تابش آني است و تقريبا" بلا-
فاصله بعد از قطع نور تمام ميشود . در حالي كه در فسفرسانس ماده بعد از قطع نور نيز تا مدتي
به تابش ادامه ميدهد كه مقدار آن بسته به ماده مورد استفاده مي تواند از چند ثانيه تا چند روز
طول بكشد . در فلوئورسانس برانگيختگي ميان دو تراز اصلي با انرژي هاي E1,E2 اتفاق مي افتد
كه جابجايي بين أنها كاملا" آزاد است .الكترون با دريافت انرژي بر انگيخته شده وبه تراز E2 ميرود
وپس از 8تا 10 ثانيه دوباره به تراز اول بر مي گردد و فتوني با انرژي E2-E1 تابش مي كند اما در
فسفرسانس اجرابدليل وجود يك تراز مياني كمي پيچيده تر است.
اين تراز كه مابين تراز پايه و برانگيخته قرار دارد تراز نيمه پايدار ميباشد و مانند يك دام براي الكترونها
عمل ميكند به خاطر شرايط خاص اين تراز انتقال الكترون از أن به ساير ترازها ممنوع واحتمال أن
بسيار كم است بنابراين چنانچه الكتروني پس از برانگيختگي از تراز E2 در دام تراز نيمه پايدار بيافتد
انجا مي ماند تا زماني كه به طريقي ديگر مجددا" برانگيخته شود و به تراز E2 برگردداين اتفاق
مي تواند تحت تاثير جنبشهاي گرمايي اتمها يا مولكولهاي مجاور ويا برانگيختگي نوري روي دهد
اما احتمال وقوع أن بسيار كم است به همين دليل چنين الكترونهايي تا مدتها در تراز مياني ميمانند
(بسته به ساختار اتمي ماده و شرايط محيطي) و همين عامل تاخير در باز تابش بخشي از انرژي
دريافت شده است.
تحريك اين ماده ها به گونه هاي مختلف انجام مي شوند: بمباران فوتوني، الكترونها، يونهاي مثبت،
واكنشهاي شيميايي، گرما و گاهي اوقات ( مخصوصاً در جانداران ) تنشهاي مكانيكي... راز کرمهای
شب تاب در فسفرسانس است.
برای ساختن مواد درخشنده در تاريکی بايد فسفری وجود داشته باشد که با استفاده از نور معمولی
انرژی بگيرد و طول تابش ان زياد باشد.
برای مثال دو فسفری که اين ويژگی ها را دارند مثل ( Zinc Sulfide ) و ( Strontium Aluminate ) که
( Strontium Aluminate ) بهتر است برای طول تابش بيشتر.
اين مواد با پلاستيک مخلوط ميکنند و مواد درخشنده در تاريکی را ميسازند.
بعضی مواقع ممکن است شما موادی را ببينيد که ميدرخشند ولی به انرژی احتياجی ندارند!يکی از
ان مثالها بروی عقربه های ساعتهای گران قيمت است.
در انها فسفر با يک عنصر راديو اکتيو مخلوط شده (مثل راديوم- radium) که ان عنصر با انتشار راديو
اکتيو فسفر را مرتبا با انرژی ميکند.
شرحي از نحوه ي كار لامپ هاي فلوئورسنت :
در اين لامپها يك تخليه ي الكتريكي در محيطي از بخار جيوه و يك گاز خنثي ( مانند آرگون ) انجام مي
شود. بخار جيوه بر اثر اين تخليه ي انرژي و جذب اين انرژي، شروع به تشعشع مي كند و طول موج
اين تشعشع ۲۵۳۷ آنگستروم است كه در محدوده ي طيف UV ( فرا بنفش ) است.
از ديگر سوي، دیواره ي داخلي لامپ را با مواد فسفرسنتي پوشش مي دهند و اين مواد توسط اشعه
UV تحريك شده، نور مرئي تابش مي كنند.
در دهه ي ۱۹۴۰ اين پوشش Zn2SiO4 (سيليكات زيركونيم) بود و از Mn بعنوان Activator استفاده مي
كردند. بعدها يك محلول فسفاتي به صورت Ca5.(PO4)3.(Cl,F).Sb3+ion.Mn2+ion - كه Sb3+ion يعني
يون ۳ بار مثبت آنتيموان - استفاده شد كه Activator ان، Sb ( آنتيموان ) بود.
چه موادي اين گونه هستند (نام عنصر ها) و رنگ نور انها به چه بستگي دارد؟
شماره- ماده ي زمينه- Activator- رنگ تشعشع- كاربرد
(زمان عملكرد كوتاه)
۱ - CaWO4 - بدون Activator - آبي - لامپ آبي
۲ - Pb - CaWO4 - آبي كم رنگ - لامپ آبي
۳ - Pb - BaSi2O5 - فرا بنفش - لامپ تشعشع طولاني مدت فرابنفش
۴ - Mn - Zn2SiO4 - سبز - لامپ سبز
۵ - Pb3Mn - CaSiO3 - بين زرد و نارنجي - لامپ رنگي با كيفيت بالا
۶ - Mn - Cd2B2O5 - نارنجي / زرد - لامپ ترنر
( زمان عملكرد طولاني )
۱ - Mn - Zn2SiO4 - زرد سبز - رادار و اسيلوگراف
۲ - Pb3Mn - CaSiO3 - نارنجي - رادار
۳ - Mn - (Zn,Be).SiO4 - سفيد - تلويزيون هاي دقيق
پاسخ : فسفرسانس، فلوئورسانس، لومينسانس
بسیاری از سیستمهای شیمیایی ، فوتولومینسانس هستند، یعنی این سیستم‌ها می‌توانند
توسط تابش الکترومغناطیسی برانگیخته شوند و متعاقب آن ، تابشی یا با همان طول موج یا
با طول موج دیگر ، مجددا نشر کنند.
دو نوع از متداول‌ترین وجوه فوتولومینسانس «فلوئورسانس» و «فسفرسانس» هستند.
این دو تابش، توسط فرایندهای مکانیکی متفاوتی تولید میشوند. این دو پدیده را میتوان بطور
تجربی با مشاهده طول عمر حالت برانگیخته، از یکدیگر تمیز داد. در مورد فلوئورسانس، فرآیند
لومینسانس تقریبا بلافاصله پس از قطع تابش ، متوقف میشود، اما فسفرسانس معمولا برای
مدت زمانی که به آسانی قابل آشکارسازی است، دوام می‌آورد. با طیف‌سنجی فلوئورسانس
(fluorescence spectrophotometry)آشنا می‌شویم.
استفاده تجربی از فلوئورسانس و فسفرسانس (Fluorescence & Phosphorescence)
اندازه گیری شدت فلوئورسان ، تعیین کمی مقدار بسیار کم تعداد زیادی از گونه‌های معدنی
و آلی را امکان‌پذیر می‌سازد. تعداد زیادی روشهای فلوئورسانس سنجی مفید ، بخصوص برای
سیستمهای زیستی ، موجود است. یکی از جالبترین وجوه فلوئورسانس سنجی ، حساسیت
ذاتی آن است. حد پایین اندازه گیری توسط این روش اغلب با ضریب 0,1 یا بهتر ، کمتر از حد
پایین اندازه گیری توسط یک روش جذبی است و این حد در گستره بین چند هزارم تا شاید
یک دهم یک قسمت در میلیون (0.1 از ppm) قرار می‌گیرد.
بعلاوه ، گزینش‌پذیری این روش حداقل بخوبی و احتمالا بهتر از سایر روشها است. با وجود
این ، فلوئورسانس سنجی کمتر از روشهای جذبی مورد استفاده قرار می‌گیرد، زیرا تعداد
نسبتا محدودی سیستمهای شیمیایی وجود دارند که می‌توانند فلوئورسانس تولید کنند.
فسفرسانس نیز تنها در حد بسیار محدودی در مسائل تجزیه‌ای بکار گرفته میشود.
نظریه فلوئورسانس
مثالهایی از رفتار فلوئورسانس را میتوان در سیستم های ساده و همچنین در سیستم
های پیچیده شیمیایی ، در حالت گازی ، مایع و جامد مشاهده کرد.
ساده‌ترین نوع فلوئورسانس ، توسط بخارات اتمی رقیق به نمایش گذارده میشود. بعنوان
مثال ، الکترونهای 3s اتمهای سدیم بخار شده ، می توانند با جذب تابش 5895 و 5790
آنگستروم به حالت 3p برانگیخته شوند. پس از سپری شدن بطور متوسط 8-10 ثانیه ،
الکترونها به حالت عادی بر می‌گردند و در ضمن این عمل ، تابش با همان دو طول موج
را در کلیه جهات منتشر می‌کنند.
این نوع فلوئورسانس که در آن تابش جذب شده بدون تغییر دوباره منتشر میشود ، به
تابش رزونانسی یا فلوئورسانس رزونانسی مشهور است. در مورد مولکولها یا یونهای
چند اتمی نیز تابش رزونانسی به وقوع می‌پیوندد. بعلاوه اینکه تابش مشخصه با طول
موجهای طولانی‌تر نشر میشود. این پدیده به نام جابجایی استوکس معروف است.
تقریبا تمام سیستمهای فلوئورسانس که برای تجزیه مفیدند، ترکیبات پیچیده آلی هستند
که حاوی یک یا چند گروه عاملی آروماتیک می‌باشند.
اندازه گیری فلوئورسانس
اجزاء سازنده مختلف دستگاههای اندازه گیری فلوئورسانس، مشابه اجزاء سازنده نورسنج
ها می‌باشند. تابش یک منبع مناسب از درون یک تک‌فام ساز یا صافی می‌گذرد که وظیفه
آن عبور بخشی از پرتو است که فلوئورسانس را بر می‌انگیزد و طول موجهایی را که متعاقبا
توسط نمونه نور داده شده تولید میشوند، حذف می‌کند. تابش فلوئورسان ، توسط نمونه
در تمام جهات نشر میشود، اما مناسب‌ترین زاویه مشاهده آن ، زاویه قائمه نسبت به
تابش تحریک است.
در بقیه زوایا ، افزایش پراکندگی توسط محلول و دیواره‌های سلول احتمالا منجر به خطاهای
بزرگی در اندازه گیری شدت فلوئورسان میشود.
تابش منتشره پس از عبور از درون یک سیستم صافی یا تک‌فام‌ساز دوم که پیک فلوئورسان
را مجزا می‌کند، به یک آشکارساز فتوالکتریک می‌رسد. خروجی آشکارساز تقویت میشود
و بر روی یک «ثبات» یا یک «نوسان نما» نمایش داده میشود. فلوئورسان سنجها در این
مورد با نورسنجها وجه اشتراک دارند که در آنها نیز برای محدود کردن طول موجهای پرتو
تحریک و نشر ، صافی بکار گرفته میشود.
طیف فلوئورسانس سنجها
طیف فلوئورسانس سنجها ، بر دو نوعند: نوع اول یک صافی مناسب را برای محدود کردن
تابش تحریک و یک تک‌فام‌ساز شبکه‌ای یا منشوری را برای مجزا کردن یک پیک نشری
فلوئورسان بکار می‌گیرد. چندین طیف نورسنج تجارتی را با دستگاههای رابطی که امکان
استفاده از آنها بدین منظور میسر می‌سازد، میتوان خریداری کرد.
طیف فلوئورسانس سنج‌های واقعی دستگاههایی اختصاصی هستند که مجهز به دو تک‌فام
ساز می‌باشند. یکی از این تک‌فام سازها تابش تحریک را به یک نوار باریک محدود می‌سازد؛
تک‌فام ساز دیگر امکان مجزا کردن یک طول موج فلوئورسان بخصوص را فراهم می‌کند.
گزینش‌پذیری فراهم شده توسط این دستگاهها در تحقیقات مربوط به مشخصات الکترونی
و ساختمانی مولکولها اهمیت زیادی دارد و در کارهای تجزیه‌ای نیز ارزشمند است. با این
همه ، برای بیشتر مقاصد تجزیه‌ای ، اطلاعات حاصل از دستگاههای ساده‌تر ، کاملا رضایت
بخش است. در حقیقت ، فلوئورسان سنج‌های به نسبت ارزان قیمتی اختصاصا برای رفع
مشکلات سنجشی خاص تجزیه‌های فلوئورسان طراحی شده‌اند که اغلب همان ویژگی
و گزینش‌پذیری طیف نورسنج‌های پیشرفته را دارند.
اجزا سازنده فلوئورسانس سنجها و طیف فلوئورسانس سنجها
منابع :
در بیشتر کاربردها ، به منبعی نیاز است که نسبت به لامپهای تنگستن یا هیدروژن که در
اندازه‌گیری‌های جذبی مورد استفاده قرار می‌گیرند، دارای شدت بیشتری باشد. معمولا
یک لامپ کمان جیوه‌ای یا گزنونی بکار گرفته میشود.
صافیها و تک‌فام سازها :
صافیهای تداخلی و جذبی هر دو ، در فلوئورسانس سنجها بکار برده شده‌اند. بیشتر طیف
فلوئورسانس سنجها به تک‌فام سازهای شبکه‌ای مجهزند.
آشکارسازها :
علامت فلوئورسان نوعی ، دارای شدت کمی است و بنابراین برای اندازه گیری آن به ضرایب
تقویتی بزرگی نیاز داریم. در دستگاههای فلوئورسانس حساس ، از لوله‌های فوتو تکثیر کننده
بعنوان آشکارساز در مقیاس وسیعی استفاده میشود.
سلولها و محفظه‌های سلولها :
سلولهای استوانه‌ای و مستطیلی ساخته شده از شیشه و سیلیس هر دو در اندازه گیریهای
فلوئورسانس بکار گرفته میشوند. باید نهایت دقت در طرح محفظه سلول به عمل آید تا مقدار
تابش پراکنده‌ای که به آشکارساز می‌رسد، کم شود. برای این منظور ، اغلب تیغه‌هایی در
داخل محفظه گذاشته میشود.
پاسخ : فسفرسانس، فلوئورسانس، لومينسانس
ماده ي زمينه
- Activator -
رنگ تشعشع
-
كاربرد
-------------------------------------------------------------- ( زمان عملكرد: كوتاه )
CaWO4
- بدون Activator -
آبي
-
لامپ آبي
Pb
- CaWO4
-
آبي كم رنگ
-
لامپ آبي
Pb
- BaSi2O5
-
فرا بنفش
-
لامپ تشعشع طولاني مدت فرابنفش
Mn
- Zn2SiO4
-
سبز
-
لامپ سبز
Pb3Mn
- CaSiO3
-
بين زرد و نارنجي
-
لامپ رنگي با كيفيت بالا
Mn
- Cd2B2O5
-
نارنجي / زرد
-
لامپ ترنر
-------------------------------------------------------------- ( زمان عملكرد: طولاني )
Mn
- Zn2SiO4
-
زرد سبز
-
رادار و اسيلوگراف
Pb3Mn
- CaSiO3
-
نارنجي
-
رادار
Mn
- (Zn,Be).SiO4
-
سفيد
-
تلويزيون هاي دقيق
