التفلور

تفلور

Fluorescence -



التفلور

يمن الأتاسي

الكيمياء الضوئية

النتاج (المردود) الكمومي للتفلور

عمر التفلور

مخطط جابلونسكي

التفلور في الطبيعة

التفلور fluorescence هو إصدار الضوء من مادة ما بعد امتصاصها ضوءاً أو إشعاعاً كهرطيسياً، وهو شكل من أشكال التألّق luminescence. يكون للضوء الصادر في معظم الأحوال طول موجي أكبر من ذاك الموافق للإشعاع الممتص، وبالتالي تكون طاقة فوتوناته أخفض. تجدر الإشارة إلى أنه عندما يكون الإشعاع الكهرطيسي شديداً ذا كثافة تدفق عالية؛ فمن الممكن أن يمتص الإلكترون فوتونين، وهذا ما يقود إلى امتصاص ثنائي الفوتون two-photon absorption مما يؤدي إلى إصدار ضوء بطول موجي أقصر من ذاك الموافق للإشعاع الممتص. وقد يكون للإشعاع الصادر أيضاً الطول الموجي ذاته للإشعاع الممتص، وفي هذه الحالة يُطلق على التفلور اسم التفلور الرنيني (التجاوبي) resonance fluorescence.

يحدث التفلور الأكثر إدهاشاً عندما يكون الإشعاع الممتص في مجال الأشعة فوق البنفسجية غير المرئية من الطيف الكهرطيسي، في حين يكون الضوء الصادر في المجال المرئي.

تشاهد للتفلور الكثير من التطبيقات العملية في علم الفلزات mineralogy، وعلم الجواهر gemology، والمحسات الكيميائية المستعملة في مطيافية التفلور fluorescence spectroscopy  والتحليل الكيميائي، والوسم التفلوري fluorescent labeling  في الطب، والكواشف الحيوية، ولعلّ التطبيق الأكثر شيوعاً للتفلور هو المصابيح المتفلورة fluorescent lamps المستعملة في الإضاءة.

الكيمياء الضوئية photochemistry

يحصل التفلور عندما تحدث عملية الاسترخاء الإلكتروني، حيث يصدر الإلكترون فوتوناً عند عودته إلى حالته الأساسية بعد إثارته إلى حالة كمومية أعلى.

-            يعبر عن الإثارة excitation بالعلاقة (1):

-            يعقبها التفلور (الإصدار emission) الذي يعبر عنه بالعلاقة (2):

حيث تمثل S₀ الحالة الأساسية للجزيء المتفلور وhn طاقة الفوتون (h ثابتة بلانك، وn تواتر الضوء) وتمثل S₁ الحالة المثارة الأولى لهذا الجزيء، ويفترض أن كلتا الحالتين حالتان أحاديتان singlet states، فعندما يجتمع جسيمان لكل منهما سبين ½ ليكوّنا جزيئاً يمكن أن يكوّنا نوعين من الحالات الطيفية؛ الحالة الأحادية ذات السبين الكلي 0  أو الحالة الثلاثية triplet state  ذات السبين الكلي1 . وتتعلق قيم التواترات (الترددات) النوعية الخاصة بالضوء المثير n_ex والضوء الصادر n_em بطبيعة الجملة المدروسة.

في الواقع يمكن للجزيء في الحالة S₁ أن يعود إلى حالته الأولية وفق العديد من السبل المتنافسة فيما بينها؛ إذ يمكن أن يخضع لاسترخاء غير مشع، حيث يجري تبديد طاقة الإثارة على شكل حرارة إلى المذيب (اهتزازات). كما يمكن للجزيئات العضوية المثارة أن تسترخي أيضاً بالانتقال إلى حالة ثلاثية يمكنها أن تسترخي فيما بعد بالفسفرة phosphorescence التي لا تختلف عن الفلورة إلا بالتأخر عن إصدار الضوء مقارنة بالأخيرة، أو في مرحلة استرخاء غير إشعاعي ثانوي. ويمكن لاسترخاء الحالة S₁  أن يحصل أيضاً بالتفاعل المتبادل مع جزيء ثانٍ عن طريق ما يسمى إطفاء التفلور fluorescence quenching. ويُعدّ الأكسجين الجزيئي مطفئاً فعالاً للتفلور؛ لأن حالته الأساسية حالة طيفية ثلاثية غير معتادة.

 يمكن لجزيئات مثارة بامتصاص الضوء أو بعملية مختلفة (كأن تكون ناتجاً من نواتج تفاعل معين نقلها إلى حالة مثارة) أن تنقل الطاقة إلى جزيء صنعي ثانٍ

يستعمل محساً sensitized molecule، فينتقل هذا الأخير إلى حالته المثارة ويمكن له عندها أن يتفلور. وتُستَثمر هذه العملية في القضبان المضيئة light sticks لتوليد أضواء بألوان مختلفة.

النتاج (المردود) الكمومي للتفلور

يُعدّ النتاج الكمومي quantum yield للتفلور مؤشراً على كفاءة عملية التفلور وفعاليتها، ويقاس المردود الكمومي للتفلور بنسبة عدد الفوتونات الصادرة إلى عدد الفوتونات الممتصة.

فمردود التفلور الأعظمي النظري يساوي الواحد؛ أي  %100، وهذا يعني أنّ كل فوتون ممتص يولد فوتوناً صادراً، ولكن المركبات التي تتمتع بمردود كمومي قدره 0.1  - أي %10 - تعدّ جيدة التفلور عمليّاً. وهناك طريقة أخرى لتعريف المردود الكمومي بالاستعانة بثوابت معدلات اضمحلال الحالة المثارة Rate Constants Of Excited State Decay (العلاقة 3).

حيث  ثابت سرعة (المعدل الزمني) الإصدار التلقائي spontaneous emission الموافق للإشعاع؛ أي التفلور، و  هو مجموع ثوابت سرع اضمحلال الحالة المثارة جميعها. يكون مردّ حالات الاضمحلال الأخرى آليات متعددة غير الإصدار الفوتوني، وهي لذلك تسمى الانتقالات غير المشعة، يذكر منها الإطفاء التصادمي الديناميكي dynamical collisional quenching، والتآثرات التبادلية الثنائية الأقطاب- الثنائية الأقطاب للحقل القريب near-field dipole-dipole interaction   والتحويل الداخلي internal conversion، والعبور ما بين الجمل intersystem crossing ؛ التي هي عملية غير مشعة تقتضي حصول انتقال بين حالتين إلكترونيتين ذات تعددية سبينية spin multiplicity متغايرة.

يجري قياس المردود الكمومي للتفلور عادة بالمقارنة بمادة عيارية، وهذه المادة العيارية غالباً ما تكون كبريتات الكينين المذابة في محلول حمض الكبريت.

عمر التفلور fluorescence lifetime

عمر التفلور هو الزمن الوسطي الذي يبقى فيه الجزيء في حالته المثارة قبل أن يصدر فوتوناً. يتبع التفلورُ نموذجياً حركيةً من المرتبة الأولى يعبر 0عنها بالعلاقة (4):

حيث  تركيز الجزيئات في الحالة المثارة عند الزمن ، و  التركيز الابتدائي، و ثابت الاضمحلال (الاسترخاء) أو مقلوب عمر التفلور. يكون زمن الاضمحلال للحالات المثارة في العديد من المركبات المتفلورة ضمن المجال 0.5 - 20 نانو ثانية. ويُعدّ عمر التفلور موسطاً مهماً للتطبيقات العملية للتفلور مثل الانتقال الطاقي الرنيني للتفلور fluorescence resonance energy transfer، والمجهرية التصويرية القائمة على قياس عمر التفلور fluorescence-lifetime imaging microscopy.

مخطط جابلونسكي

يصف مخطط جابلونسكي Jablonski diagram (الشكل1) معظم الاسترخاءات التي تخضع لها الحالة المثارة للجزيئات، ويُبيّن هذا المخطط كيفية حصول التفلور نتيجة لاسترخاء بعض الإلكترونات في الجزيء. بعد أن يمتص الإلكترون فوتوناً عالي الطاقة فإنّ الجملة تصبح مثارة إلكترونياً واهتزازياً. تسترخي الجملة اهتزازياً وبعدها تولد تفلوراً في نهاية المطاف عند طول موجي أكبر من ذاك الموافق للفوتون الممتص.

الشكل (1) مخطط  جابلونسكي.

قواعد التفلور

هنالك العديد من القواعد الناظمة للتفلور، ومع أن ثمة استثناءات لكل منها، فإنها تمثل إطاراً عاماً لفهم  هذه الظاهرة.

-    قاعدة كاشا- فافيلوف Kasha-Vavilov rule: تنص على أنّ المردود الكمومي للتفلور مستقل عن الطول الموجي للإشعاع المسبب للإثارة.

-    قاعدة صورة المرآة mirror image rule: تقضي بأنّ طيف الامتصاص هو صورة لطيف الإصدار، وهذه القاعدة مرتبطة بمبدأ فرانك-كوندون Franck-Condon principle الذي ينص على أنّ الانتقالات الإلكترونية تكون شاقولية (لا تسهم طاقات اهتزازات النوى فيها)؛ أي إنّ النوى لا تتحرك في أثناء الانتقال وإنّ المستويات الاهتزازية للحالة المثارة مشابهة لتلك الموافقة لها في الحالة الأساسية.

-    انزياح ستوكس Stokes shift: يقصد به أنّ الطول الموجي للضوء الصادر المتفلور أطول من ذاك الموافق للضوء الممتص، وهذا مرده وجود ضياع في الطاقة حاصل بين زمن امتصاص الفوتون وزمن إصداره.

التفلور في الطبيعة

-  الفلزات والأحجار الكريمة

يبدي العديد من المركبات الطبيعية تفلوراً يُستثمر في الكثير من التطبيقات، فالعديد من الفلزات والأحجار الكريمة لها تفلور مميز لها، إذ إنّ الكثير من أنواع الكالسيت والأمبر تظهر تفلوراً عند تشعيعها بالضوء فوق البنفسجي، في حين يتمتع الياقوت والزمرد والألماس الأمل  Hopediamond- وهو نوع من الألماس مشوب بالبور رمزه  Type IIb diamond- بتفلور أحمر عند تشعيعه بالضوء فوق البنفسجي القصير (الشكل 2).

الشكل (2) ألماس الأمل.

-  السوائل العضوية

تتفلور بعض السوائل العضوية - مثل الأنتراسين  anthracene والستيلبين stilbene (أحد أنواع مواد المحسنات الضوئية)- عند حلِّها في البنزن والتولوين. كما يتفلور النفط الخام ضمن مجال من الألوان يراوح بين البني الفاتح في حالة الزيوت الثقيلة والقطران وبين الأصفر الفاتح والأبيض المزرق في حالة الزيوت الخفيفة، تُستثمر هذه الظاهرة عند الحفر للتنقيب عن النفط؛ إذ يجري الكشف عن وجوده بفحص الكميات الصغيرة من السائل المتوضع على أدوات الحفر.

-  مواد مألوفة متفلورة

يتمتع العديد من المواد المألوفة بخاصية الفلورة، فالفيتامين B2 يصدر تفلوراً أصفر، والماء المنشِّط tonic water يصدر تفلوراً أزرق بسبب وجود الكينين، وأقلام حبر العلامات highlighter ink تصدر تفلوراً بسبب احتوائها على مركب البيرانين pyranine. كما أنّ بعض الأوراق النقدية والطوابع البريدية وبطاقات الائتمان تكون معدة لأن تصدر ضوءاً بالتفلور وذلك حماية لها من التزوير.

تطبيقات التفلور

-       الإنارة

تعتمد المصابيح المتفلورة على ظاهرة التفلور؛ إذ يوجد في الأنبوب الزجاجي المخلى جزئياً كمية صغيرة من الزئبق. يتسبب الانفراغ الكهربائي بإصدار أشعة فوق بنفسجية من ذرات الزئبق، فيطلى السطح الداخلي للأنبوب بمادة تصدر تفلوراً في المجال المرئي عندما تمتص الضوء فوق البنفسجي. وتمتاز مصابيح الفلورة بأنها تحوِّل مزيداً من الطاقة الكهربائية إلى ضوء مفيد فتجعلها ذات كفاءة أعلى بكثير من تلك الموافقة لمصابيح التوهج، لذلك تُعرف باسم المصابيح الاقتصادية.

أصبحت الديودات المصدرة للضوء Light-Emitting Diodes (LEDs) متوفرة أيضاً منذ منتصف التسعينيات من القرن العشرين على شكل مصابيح LED، ويقوم مبدأ هذه المصابيح على إسقاط الضوء الأزرق الصادر عن نصف ناقل على مادة متفلورة متوضعة على رقاقة (شيبة) chip صغيرة، ويسمح اجتماع الضوء الأزرق مع الضوء المتفلور من الأخضر إلى الأحمر بخروج انبعاث ضوئي واضح من الضوء الأبيض.

-       الكيمياء التحليلية

يقتضي العديد من عمليات التحليل الكيميائي استعمال مقياس تفلور fluorimeter. عادة ما تجري الإثارة عند طول موجة وحيد ويجري الكشف عن التفلور الصادر عند طول موجة وحيد آخر، وبسبب حساسية هذه الطريقة يمكن قياس تراكيز منخفضة جداً من الجزيئات المتفلورة تصل إلى جزء من  تريليون جزء.

ويمكن الكشف عن التفلور عند عدة أطوال موجية بالاستعانة بصفيفة من الكواشف array detector، وذلك للكشف عن طبيعة المركبات الخارجة من جهاز الاستشراب اللوني  chromatography (الكرموتوغرافيا). كما يمكن إظهار صفائح الاستشراب اللوني ذي الطبقة الرقيقة (TLC) Thin Layer Chromatography بالتفلور إذا كانت المركبات المدروسة قابلة للتفلور.

-       الكيمياء الحيوية والطب

يستعمل التفلور في علم الحياة وسيلة لا تخريبية non-destructive  لتحرّي الجزيئات البيولوجية أو تحليلها بإصدار التفلور عند تواتر معين وذلك بغياب خلفية من الضوء المثير، ذلك لأن عدداً قليلاً جداً من المكونات الخلوية هو مصدر للتفلور بصورة طبيعية. في الواقع يمكن للبروتين أو غيره من المكوِّنات أن يوسَم بمركبة مصدرة للتفلور أو بصباغ متفلور مكوَّن من جزيء صغير أو بروتين أو نقطة كمومية quantum dot. ويجري تعقّب الصباغ المتفلور وتحديد تركيزه بالاستعانة بمقياس التفلور الطيفي spectrofluorimeter.

التصنيف : الكيمياء والفيزياء

النوع : الكيمياء والفيزياء

المجلد: المجلد التاسع

رقم الصفحة ضمن المجلد : 0

آخر أخبار الهيئة :

البحوث الأكثر قراءة

اصدارات الموسوعة العربية

أسماء الباحثين

هل تعلم ؟؟

• - هل تعلم أن الأبلق نوع من الفنون الهندسية التي ارتبطت بالعمارة الإسلامية في بلاد الشام ومصر خاصة، حيث يحرص المعمار على بناء مداميكه وخاصة في الواجهات

• - هل تعلم أن الإبل تستطيع البقاء على قيد الحياة حتى لو فقدت 40% من ماء جسمها ويعود ذلك لقدرتها على تغيير درجة حرارة جسمها تبعاً لتغير درجة حرارة الجو،

• - هل تعلم أن أبقراط كتب في الطب أربعة مؤلفات هي: الحكم، الأدلة، تنظيم التغذية، ورسالته في جروح الرأس. ويعود له الفضل بأنه حرر الطب من الدين والفلسفة.

• - هل تعلم أن المرجان إفراز حيواني يتكون في البحر ويتركب من مادة كربونات الكلسيوم، وهو أحمر أو شديد الحمرة وهو أجود أنواعه، ويمتاز بكبر الحجم ويسمى الش

• هل تعلم أن الأبسيد كلمة فرنسية اللفظ تم اعتمادها مصطلحاً أثرياً يستخدم في العمارة عموماً وفي العمارة الدينية الخاصة بالكنائس خصوصاً، وفي الإنكليزية أب

• - هل تعلم أن أبجر Abgar اسم معروف جيداً يعود إلى عدد من الملوك الذين حكموا مدينة إديسا (الرها) من أبجر الأول وحتى التاسع، وهم ينتسبون إلى أسرة أوسروين

• - هل تعلم أن الأبجدية الكنعانية تتألف من /22/ علامة كتابية sign تكتب منفصلة غير متصلة، وتعتمد المبدأ الأكوروفوني، حيث تقتصر القيمة الصوتية للعلامة الك

شراء النسخة الورقية