Τι είναι η Φασματοσκοπία Φθορισμού;
Η φασματοσκοπία φθορισμού αναλύει τον φθορισμό των μορίων με βάση τις φθορίζουσες ιδιότητες τους.
Ο φθορισμός είναι η φωταύγεια που εμφανίζεται όταν ένα μόριο διεγείρεται από ένα φωτόνιο σε μια ηλεκτρονικά διεγερμένη κατάσταση προκειμένου να επιστρέψει στη βασική κατάσταση.
Η φασματοσκοπία φθορισμού χρησιμοποιεί μια δέσμη φωτός για να διεγείρει τα ηλεκτρόνια σε ορισμένα μόρια ένωσης και να τα αναγκάσει να εκπέμπουν φως. Το φως διέρχεται από ένα μονοχρωμάτορα και εισέρχεται σε έναν ανιχνευτή όπου ανιχνεύεται, ο οποίος χρησιμοποιείται για τη μέτρηση και την αναγνώριση μορίων ή αλλαγών στα μόρια.
Εισαγωγή στη σταθερή φθορισμό-Φασματοσκοπία κατάστασης και δοκιμή διάρκειας ζωής
Ο φθορισμός αναφέρεται γενικά στο φαινόμενο της φωταύγειας, του φωτός που εκπέμπεται από τα μόρια. Υπάρχουν διάφοροι τύποι λάμψης.
Η φωτοφωταύγεια είναι η εκπομπή φωτονίων που διεγείρονται από φωτεινή ενέργεια ή φωτόνια.
Η χημειοφωταύγεια, που ορίζεται ως η φωταύγεια των φωτονίων που διεγείρονται από τη χημική ενέργεια, περιλαμβάνει τη βιοφωταύγεια, όπως φαίνεται στις πυγολαμπίδες και σε πολλές θαλάσσιες ζωές.
Η ηλεκτροφωταύγεια είναι η εκπομπή φωτονίων όταν η ηλεκτρική ενέργεια ή ένα ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο διεγείρει φωτόνια, όπως σε ορισμένες εφαρμογές φωτισμού.
Συγκεκριμένα, ο φθορισμός είναι ένας τύπος φωτοφωταύγειας όπου το φως βάζει τα ηλεκτρόνια σε διεγερμένη κατάσταση. Η διεγερμένη κατάσταση χάνει γρήγορα θερμική ενέργεια στο περιβάλλον μέσω της δόνησης και στη συνέχεια εκπέμπει φωτόνια από τη χαμηλότερη μονήρη διεγερμένη κατάσταση. Αυτή η διαδικασία εκπομπής φωτονίων ανταγωνίζεται άλλες μη ακτινοβολικές διεργασίες, συμπεριλαμβανομένης της μεταφοράς ενέργειας και της απώλειας θερμότητας.
Όταν χρησιμοποιείται ο όρος "φθορισμός", η ίδια μέθοδος μέτρησης ισχύει γενικά για οποιαδήποτε από τις παραπάνω κατηγορίες φωταύγειας.
Τι είναι η Φασματοσκοπία Φθορισμού;
Τα φάσματα διέγερσης φθορισμού και εκπομπής αντικατοπτρίζονται μεταξύ τους. Η φασματοσκοπία φθορισμού χρησιμοποιεί εκπομπή και διέγερση για να δει πώς αλλάζει ένα δείγμα.
Εικ. 1: Ένα φάσμα διέγερσης φθορισμού (μπλε) και ένα φάσμα εκπομπής (μωβ) είναι κατοπτρικές εικόνες το ένα του άλλου
Η φασματοσκοπία φθορισμού σταθερής-κατάστασης είναι όταν ένα μόριο φθορίζει όταν διεγείρεται από μια σταθερή πηγή φωτός και τα εκπεμπόμενα φωτόνια ή η ένταση ανιχνεύονται ως συνάρτηση του μήκους κύματος. Το φάσμα εκπομπής φθορισμού είναι όταν το μήκος κύματος διέγερσης είναι σταθερό, το μήκος κύματος εκπομπής σαρώνεται και λαμβάνεται η σχέση μεταξύ της έντασης και του μήκους κύματος εκπομπής.
Το φάσμα διέγερσης φθορισμού είναι όταν το μήκος κύματος εκπομπής είναι σταθερό, αλλάζοντας το μήκος κύματος του μονοχρωμάτορα διέγερσης, σαρώνοντας την ένταση σε διαφορετικά μήκη κύματος. Με αυτόν τον τρόπο, το φάσμα παρέχει πληροφορίες σχετικά με το δείγμα και τα μήκη κύματος απορρόφησης για την επιλογή του βέλτιστου μονού μήκους κύματος εκπομπής για την ανίχνευση εκπομπής. Είναι παρόμοια με τη φασματοσκοπία απορρόφησης, αλλά είναι μια πιο ευαίσθητη τεχνική όσον αφορά τα όρια ανίχνευσης και τη μοριακή εξειδίκευση. Τα φάσματα διέγερσης είναι ειδικά για ένα μεμονωμένο μήκος κύματος/είδος εκπομπής, σε σχέση με τα φάσματα απορρόφησης όλων των απορροφητικών ειδών στο διάλυμα ή το δείγμα μέτρησης. Τα φάσματα εκπομπής και διέγερσης ενός δεδομένου φθοροφόρου είναι κατοπτρικές εικόνες το ένα του άλλου. Τυπικά, τα φάσματα εκπομπής εμφανίζονται σε μεγαλύτερα μήκη κύματος (χαμηλότερες ενέργειες) από τα φάσματα διέγερσης ή απορρόφησης
Αυτοί οι δύο φασματικοί τύποι (εκπομπή και διέγερση) χρησιμοποιούνται για να παρατηρήσουν πώς αλλάζει το δείγμα. Η φασματική ένταση και το μέγιστο μήκος κύματος μπορεί να ποικίλουν ανάλογα με μεταβλητές όπως η θερμοκρασία, η συγκέντρωση ή οι αλληλεπιδράσεις με τα γύρω μόρια. Αυτό περιλαμβάνει μόρια απόσβεσης και μόρια ή υλικά που εμπλέκονται στη μεταφορά ενέργειας. Ορισμένα φθοροφόρα είναι ευαίσθητα στις ιδιότητες του περιβάλλοντος του διαλύτη, όπως το pH, η πολικότητα και ορισμένες ιοντικές συγκεντρώσεις.
Ποιοι τύποι μορίων ή υλικών παρουσιάζουν φθορισμό;
Φάσματα εκπομπής φθορισμού ορισμένων κοινών φθοροφόρων. Τα φθοροφόρα παίζουν τον κεντρικό ρόλο στη φασματοσκοπία φθορισμού και καθιστούν αυτόν τον τύπο φασματοσκοπίας μια εξαιρετικά ευαίσθητη τεχνική.
Εικ. 2: Φάσματα εκπομπής φθορισμού ορισμένων κοινών φθοροφόρων σε όλο το υπεριώδες και ορατό φάσμα
Τα φθορίζοντα μόρια και υλικά έρχονται σε όλα τα σχήματα και μεγέθη. Μερικά είναι εγγενώς φθορίζοντα, όπως η χλωροφύλλη και τα υπολείμματα αμινοξέων τρυπτοφάνη (Trp), φαινυλαλανίνη (Phe) και τυροσίνη (Tyr). Άλλα είναι μόρια που συντίθενται ως σταθερές οργανικές βαφές ή ετικέτες που μπορούν να προστεθούν σε άλλα μη-φθορίζοντα συστήματα. Γενικά, τα οργανικά φθορίζοντα μόρια έχουν δομικά χαρακτηριστικά όπως αρωματικούς δακτυλίους και π-συζευγμένα ηλεκτρόνια. Ανάλογα με το μέγεθος και τη δομή τους, οι οργανικές βαφές εκπέμπουν φως σε μήκη κύματος που κυμαίνονται από το υπεριώδες έως το κοντινό-υπέρυθρο.
Παρακάτω είναι μερικά τυχαία κοινά φθοροφόρα των οποίων η εκπομπή μπορεί να φανεί στην περιοχή UV-Vis. Για ορισμένα στοιχεία σπάνιων γαιών, όπως οι λανθανίδες, λόγω της πλήρωσης των υψηλότερων τροχιακών ηλεκτρονίων, ηλεκτρονικές μεταβάσεις λόγω μεταφοράς φορτίου από μεταλλικούς συνδέτες συμβαίνουν μεταξύ τροχιακών 4f-5d ή ακόμα και 4f-4f. (Bunzli, 1989) Υπάρχουν πολλά μόρια που εκπέμπουν φως στη φύση, όπως ορισμένα αμινοξέα, χλωροφύλλη και φυσικές χρωστικές. Άλλοι πάλι έχουν σχεδιαστεί προσεκτικά για ειδικές χρήσεις στη φασματοσκοπία φθορισμού
Παραδείγματα φθοριζόντων μορίων και υλικών:
Αμινοξέα (Trp, Phe, Tyr)
Παράγωγα ζεύγους βάσεων (2-AP, 3-MI, 6-MI, 6-MAP, pyrrole-c, tC)
χλωροφύλλη
Φθορίζουσες πρωτεΐνες (FPs)
Οργανικές βαφές (φλουορεσκεΐνη, ροδαμίνη, ν-αμινοκουμαρίνες και τα παράγωγά τους)
Στοιχεία Σπάνιας Γης (Λανθανίδες)
ημιαγωγός
κβαντικές κουκκίδες
μονού-νανοσωλήνες άνθρακα
Ηλιακή μπαταρία
Χρωστική, Ηλεκτρική επιμετάλλωση
φώσφορο
Περισσότερο…
Άλλα μόρια και υλικά όπως φθορίζουσες πρωτεΐνες, ημιαγωγοί, φώσφοροι και στοιχεία σπάνιων γαιών είναι συνήθως χρησιμοποιούμενα φθορίζοντα δείγματα. Τα πολυμερή που περιέχουν συζευγμένους αρωματικούς υδρογονάνθρακες ή διένια συχνά έχουν επίσης φθορίζουσες ιδιότητες. Φυσικά, οι επιστήμονες εργάζονται επίσης για τη δημιουργία νέων υλικών.
