פתיחת התפריט הראשי

פְלוּאוֹרֶסְצֶנְצְיָה (או פלואורסצנטיות; באנגלית: Fluorescence; בעברית גם: פְלוּאוֹרָנוּת, זְהִירָה) היא סוג של לומינסנציה והגדרתה היא פליטה ספונטנית של אור ממולקולה הנמצאת במצב מעוֹרָר, כתוצאה מבליעת אור או קרינה אלקטרומגנטית, כאשר ברוב המקרים אורך הגל של האור הנפלט יותר גדול מאורך הגל של האור הנבלע.

בשונה מסוגים אחרים של לומינסנציה כגון פוספורסצנציה, זמני החיים של תופעה זו קצרים יחסית והם מאופיינים בסדר גודל של פמטושניות.

בדומה לפיזור רמאן, גם פלואורסצנציה היא דוגמה להיסט סטוקס אך אף כי 2 התהליכים מביאים לתוצאה זהה — פליטת אור באורך גל גדול יותר ("אדום" יותר) — ישנם 2 הבדלים בין התופעות:

  • בפלואורסצנציה אין פיזור ואנרגיית העירור נבלעת לחלוטין.
  • פיזור רמאן, בניגוד לפלואורסצנציה, אינו מוגבל לטווח תדרים/אורכי גל בבליעה ולכן אינו נחשב תופעה תהודתית.

לפלואורסצנציה יש יישומים פרקטיים רבים הכוללים: מינרלוגיה, גמולוגיה, רפואה, חיישנים כימיים (ספקטרוסקופיה פלואורסצנטית), תיוג פלואורסצנטי, צבענים, גלאים ביולוגיים, גילוי קרניים קוסמיות ונורות פלואורסצנטיות.

תוכן עניינים

היסטוריהעריכה

עדות ראשונה לתופעת הפלואורסצנציה תוארה ב-1560 על ידי ברנרדינו דה סאגון בקודקס הפלורנטיני וב-1565 על ידי ניקולס מונדרס בהקשר לתרופה ששימשה כחומר משתן והופקה מעץ שכונה "עץ הכליות".[1][2][3][4] התרופה נודעה בתכונתה לשנות את הצבע של המים בהתאם לאור ולזווית פגיעתו.

בשנת 1822 תיאר רנה ז'יסט אאיאי את התופעה בפלואוריט, ב-1833 תיאר סר דייוויד ברוסטר את הפלואורסצנציה בכלורופיל וב-1845 עשה זאת סר ג'ון הרשל לגבי כינין.[5][6][7]

במאמרו על "Refrangibility" (שינוי אורך הגל) של האור, תיאר ג'ורג' גבריאל סטוקס את היכולת של גביש פלואוריט וזכוכית אורניום לשנות אור אולטרה סגול בתחום הלא נראה לאור כחול.

הוא כינה תופעה זו פלואורסצנציה:[8]

אני כמעט נוטה לצקת מטבע לשון ולקרוא לתופעה זו פלואורסצנציה על שם הפלואוריט, באנלוגיה לתופעת האופאלסצנציה ששמה נגזר משם המינרל, אופאל

המקור באנגלית

I am almost inclined to coin a word, and call the appearance fluorescence, from fluor-spar [i.e., fluorite], as the analogous term opalescence is derived from the name of a mineral.

השם נגזר מהמינרל פלואוריט (סידן דו פלואורידי - CaF2), שלעיתים מכיל עקבות של אירופיום די ולנטי (2−Eu) אשר משמש זרז פלואורסצנטי לפליטת אור כחול.

בניסוי נוסף השתמש סטוקס במנסרה כדי לבודד קרינה אולטרה סגולה מאור השמש והבחין באור כחול שנפלט מתמיסת אתנול ובכך נחשף שהכילה את הפלואורופור כינין.[9]

עקרונות פיזיקלייםעריכה

פוטוכימיהעריכה

  ערך מורחב – פוטוכימיה

פלואורסצנציה מתרחשת כאשר אלקטרון הנמצא באורביטל מולקולרי, באורביטל אטומי או בננו-מבנה, מבצע רלקסציה מרמת סינגלט מעוררת לרמת היסוד על ידי פליטת פוטון:

  • עירור:  
  • פלואורסצנציה (פליטה):  

כאשר  הוא ביטוי כללי לאנרגיית פוטון, מכפלת קבוע פלאנק  בתדירות  . התדירויות הספציפיות לעירור ולפליטה  , תלויות בסוג החומר.

 נקרא מצב היסוד של הפלואורופור (מולקולה פלואורסצנטית), ו-  היא רמת הסינגלט המעוררת הראשונה (אלקטרונית).

מולקולה ב-  יכולה לעבור רקלסקציה בכמה תהליכים שונים מתחרים:

ברוב המקרים, לאור הנפלט יש אורך גל ארוך יותר, ולכן אנרגיה נמוכה יותר, מאשר הקרינה שנספגה. תופעה זו ידועה בשם היסט סטוקס. עם זאת, כאשר הקרינה האלקטרומגנטית הנספגת חזקה, מתאפשר לאלקטרון אחד לבלוע שני פוטונים. בליעת שני פוטונים (אנ') זו יכולה להוביל לפליטת קרינה בעלת אורך גל קצר יותר מאשר הקרינה הנספגת. הקרינה הנפלטת עשויה גם להיות באותו אורך גל כמו קרינה נספגת, המכונה "קרינת תהודה".[10]

מולקולות מעוררות באמצעות בליעת אור או תהליך אחר (למשל כתוצר של תגובה) יכולות להעביר אנרגיה למולקולה "מעוררת" שנייה, אשר מומרת למצב המעורר שלה ויכולה לפלוט אור פלואורסצנטי.

נצילות קוונטיתעריכה

  ערך מורחב – נצילות קוונטית

הנצילות הקוונטית הפלואורסצנטית מבטאת את היעילות של תהליך פלואורסצנטי. הנצילות מוגדרת כיחס בין מספר הפוטונים שנפלטו לבין מספר הפוטונים שנבלעו:[11][12]

 

הנצילות הקוונטית הפלואורסצנטית המקסימלית האפשרית היא 1 (100%) - במצב זה, כנגד כל פוטון שנבלע יש פוטון שנפלט. גם תרכובות עם נצילות קוונטית נמוכה של 0.1 (10%) עדיין נחשבות פלואורסצנטיות.

דרך נוספת להגדיר את הנצילות הקוונטית של הקרינה היא על ידי קצב הדעיכה של המולקולה מהרמה המעוררת לרמת היסוד:

 

כאשר   הוא קצב הרלקסציה של המולקולה על ידי פליטה ספונטנית כתוצאה מהתהליך הפלואורסצנטי לבדו ואילו  הוא סכום קצבי הרלקסציה של המולקולה כתוצאה מכל התהליכים האפשריים (מעבר לא קרינתי (חום), פוספורסנציה, אינטראקציה עם מולקולה שנייה וכו').

זמן חייםעריכה

זמן חיים פלואורסצנטי מתייחס לזמן הממוצע שבו המולקולה נשארת במצב מעורר לפני פליטת פוטון. פלואורסצנציה ניתנת לתיאור על ידי משוואת קצב קינטית מסדר ראשון:

 

כאשר  הוא ריכוז המולקולות במצב מעורר בזמן  ,  הוא ריכוז המולקולות במצב מעורר ההתחלתי (בזמן  ) ו- הוא קצב הדעיכה ההופכי לזמן החיים הפלואורסצנטי,  .

זוהי דוגמה קלאסית לדעיכה מעריכית. תהליכים קרינתיים ולא קרינתיים שונים יכולים לגרום לאי אכלוס של הרמה המעוררת ולכן קצב הדעיכה הכללי,  , הוא הסכום של קצב התהליכים הקרינתיים,   וקצב התהליכי הלא קרינתיים   :

 


עבור תרכובות פלואורסצנטיות נפוצות, טווח זמני הרלקסציה האופייניים עבור פליטת פוטון מ-UV עד אינפרא אדום, נע בין 0.5 עד 20 ננו-שניות. זמן חיים פלואורסצנטי הוא פרמטר חשוב עבור יישומים מעשיים כגון: FRET ו-FLIM (אנ').

דיאגרמת יבלונסקיעריכה

דיאגרמת יבלונסקי מתארת את רוב מנגנוני הרלקסציה למולקולות במצב מעורר. התרשים מראה כיצד פלואורסצנציה מתרחשת עקב רלקסציה של אלקטרונים מעוררים מסוימים של המולקולה.[13]

 
דיאגרמת יבלונסקי של מולקולה אורגנית. ציר ה-Y מבטא אנרגיה ביחס למצב היסוד של המולקולה, קווים מלאים מתארים מעברים קרינתיים (מלווים בליעה או פליטה של פוטון) וקווים שבורים מתארים מעברים לא קרינתיים. משמאל: מעברים בבליעה מרמת היסוד לרמות סינגלט מעוררות (כיוון שמהמעבר האלקטרוני מהיר מסידור האטומים המולקולה תהיה במצב מעורר ויברציונית מיד לאחר הערור), במרכז: מעבר מהמצב המעורר S1 לרמת היסוד (שוב, לרמות ויברציה מעוררות) המלווה בפליטת פוטון - פלואורסצנציה, מימין: דעיכה מרמת טריפלט לרמת היסוד: פוספורסצנציה


אנאיזוטרופיותעריכה

  ערך מורחב – אנאיזוטרופיות

פלואורופורים נוטים יותר להיות מעוררים על ידי פוטונים אם מומנט המעבר הדיפולי של הפלואורופור מקביל לווקטור החשמלי של הפוטון.[11] גם הקיטוב של האור הנפלט תלוי במומנט המעבר. מומנט המעבר הדיפולי תלוי בכיוון הפיזי של מולקולת הפלואורופור. עבור מולקולה הנתונה בתמיסה זה אומר כי עוצמת הקיטוב של האור הנפלט תלויה בדיפוזיה סיבובית. לכן, ניתן להשתמש במדידות אנאיזוטרופיות כדי לחקור תנועה של מולקולה בסביבה מסוימת.

כמותית ניתן להגדיר אנאיזוטרופיות כך:

 

כאשר  היא העוצמה הנפלטת בכיוון המקביל לקיטוב האור המעורר ואילו  היא העוצמה נפלטת בכיוון מאונך לקיטוב האור המעורר.[14]

חוקיםעריכה

 
סכמה של חוק קאשה. פוטון עם אנרגיה  מעורר אלקטרון של רמת הבסיס, של אנרגיה  , עד לרמת אנרגיה מעוררת ( או  ) או עד לאחת מרמות המשנה הויברציוניות.
 
תרשים לאנרגיית פרנק קונדון. בורות הפוטנציאל מראים שהמעבר העדיף הוא בין v = 0 לבין v = 2.
 
מעברי הרמות בפיזור רמאן.

חוק קאשהעריכה

החוק קובע כי הנצילות הקוונטית של לומינסציה אינה תלויה באורך הגל של קרינת העירור. [20] הסיבה לתופעה נעוצה בכך שבמולקולה מעוררת בדרך כלל מתרחשת דעיכה לרמה הוירבציונית הנמוכה ביותר של רמת העירור בטרם מתרחשת פלואורסצנציה. חוק זה ניתן לניסוח באופן אחר: ספקטרום הפלואורסצנציה כמעט ואינו תלוי באורך הגל של קרינת העירור.

חוק דמות מראהעריכה

עבור פלואורופורים רבים ספקטרום הפליטה הוא דמות מראה של ספקטרום הבליעה. חוק זה קשור לעיקרון פרנק-קונדון הקובע כי מעבר בין 2 רמות אנרגיה ויברציוניות אפשרי ושכיח יותר אם פונקציות הגל של 2 הרמות מתלכדות ולכן הרמות הויברציוניות של רמת העירור דומות לרמות הויברציוניות של רמת היסוד.

היסט סטוקסעריכה

 
ייצוג סכמטי של ספקטרום הבליעה והפלואורסצנציה על פי אנרגיית פנרק קונדון הסימטריה נובעת מהצורה השווה של בורות הפוטנציאל ברמת היסוד וברמה המעוררת.

באופן כללי, לאור הנפלט בפלואורסצנציה יש אורך גל ארוך יותר ואנרגיה נמוכה יותר מהאור הנבלע. [22] תופעה זו, הידועה בשם היסט סטוקס, נובעת מאובדן אנרגיה בין הזמן שבו הפוטון נבלע, לבין הזמן שבו הוא נפלט. הגורמים וסדר הגודל של היסט סטוקס יכולים להיות מורכבים והם תלויים בפלואורופור ובסביבתו. עם זאת, יש כמה סיבות נפוצות. לעיתים קרובות ישנה דעיכה לא קרינתית לרמה הויברציונית הנמוכה ביותר של רמת העירור. גורם נוסף הוא שהפליטה מותירה את הפלואורופור ברמה ויברציונית גבוהה יותר מרמת היסוד.

פלואורסצנציה בטבעעריכה

ביופלואורסצנציהעריכה

התופעה מוגדרת כבליעת גלים אלקטרומגנטיים בתחום האור הנראה על ידי חלבונים פלואורסצנטיים באורגניזם חי ופליטת אור באנרגיה נמוכה יותר. צבע האור הנפלט שונה מצבע האור הנבלע. האלקטרון המעורר, עולה לרמה לא יציבה. חוסר היציבות של הרמה גבוה מאוד שכן חזרת האלקטרון לרמת היסוד היציבה מתרחשת כמעט מיידית. . חזרה זו תואמת לשחרורו של עודף אנרגיה בצורה של אור פלואורסצנטי. פליטת אור זו ניתנת לצפייה רק כאשר האור הממריץ עדיין מספק אור לאורגניזם והוא בדרך כלל צהוב, ורוד, כתום, אדום, ירוק או סגול.

אין לבלבל תופעה זו עם תופעות אור דומות:

ביולומיניסנציהעריכה

  ערך מורחב – ביולומינסנציה

ייצור ופליטת אור על ידי אורגניזם חי כתוצאה מריאקציה כימית שבה אנרגיה כימית הופכת לאנרגיית אור. בניגוד לביופלואורסצנציה אין הארה חיצונית שגורמת לעירור.

ביופוספורסצנציהעריכה

תופעה בה אנרגיה ממקור אור חיצוני נקלטת על ידי חלבונים פלואורסצנטיים באורגניזם חי ומשוחררת זמן מה לאחר מכן באורך גל ארוך יותר. בניגוד לביופלואורסצנציה זמן החיים של התופעה ארוך יותר.

מכניזמים של ביופלואורסצנציהעריכה

יישומים מבוססי פלואורסצנציהעריכה

תאורהעריכה

  ערך מורחב – נורה פלואורסצנטית

הנורה הפלואורסצנטית הנפוצה מבוססת על פלואורסצנציה. שפופרת או צינור הזכוכית מכיל ואקום חלקי וכמות קטנה של כספית. פריקה חשמלית בצינור גורמת לאטומי הכספית לפלוט בעיקר אור אולטרה סגול. הצינור מרופד בציפוי של חומר פלואורסצנטי, הנקרא זרחן, אשר סופג את האור האולטרה סגול ופולט מחדש אור בתחום הנראה.

התאורה הפלואורסצנטית יותר חסכונית באנרגיה בהשוואה לתאורה מבוססת אלמנטי להט. עם זאת, ספקטרום לא אחיד של תאורה פלואורסצנטית עלול לגרום לצבעים מסוימים להיראות שונה לעומת תאורת להט או תאורת יום באותו צבע. הספקטרום פליטת אדי כספית הוא נשלט על ידי קו UV קצר גל ב 254 ננומטר (המספק את רוב האנרגיה כדי phosphors), מלווה פליטת אור גלוי ב 436 ננומטר (כחול), 546 ננומטר (ירוק) ו 579 ננומטר ( תפוז צהוב). שלוש שורות אלה ניתן לראות על גבי הרצף הלבן באמצעות ספקטרוסקופ היד, עבור האור הנפלט על ידי צינורות ניאון לבן הרגיל. אותם קווים נראים לעין, מלווים בקווי פליטה של ​​טרופיום אירופי וטרביום טריביאלי, ונוסף על כך גם רצף הפליטה של ​​אירופיום דו-ממדי באזור הכחול, מהווים את הפליטה הקלה יותר של מערכות הזרחן הטריכרומטיות המודרניות המשמשות בנורת פלואורסצנט קומפקטית רבות ואת מנורות מסורתיות שבו ביצועים טובים יותר צבע היא מטרה. [51]


ראו גםעריכה

קישורים חיצונייםעריכה

הערות שולייםעריכה

  1. ^ cuña, A. Ulises; Amat-Guerri, Francisco; Morcillo, Purificación; Liras, Marta; Rodríguez, Benjamín (2009). "Structure and Formation of the Fluorescent Compound of Lignum nephriticum" (PDF). Organic Letters. 11 (14): 3020–3023. doi:10.1021/ol901022g. PMID 19586062. Archived (PDF) from the original on 28 July 2013.
  2. ^ Safford, William Edwin (1916). "Lignum nephriticum". Annual report of the Board of Regents of the Smithsonian Institution (PDF). Washington: Government Printing Office. pp. 271–298.
  3. ^ Valeur, B.; Berberan-Santos, M. R. N. (2011). "A Brief History of Fluorescence and Phosphorescence before the Emergence of Quantum Theory". Journal of Chemical Education. 88 (6): 731–738. Bibcode:2011JChEd..88..731V. doi:10.1021/ed100182h.
  4. ^ Muyskens, M.; Ed Vitz (2006). "The Fluorescence of Lignum nephriticum: A Flash Back to the Past and a Simple Demonstration of Natural Substance Fluorescence". Journal of Chemical Education. 83 (5): 765. Bibcode:2006JChEd..83..765M. doi:10.1021/ed083p765.
  5. ^ Brewster, David (1834). "On the colours of natural bodies". Transactions of the Royal Society of Edinburgh. 12 (2): 538–545. doi:10.1017/s0080456800031203. Archived
  6. ^ Herschel, John (1845). "On the epipŏlic dispersion of light, being a supplement to a paper entitled, "On a case of superficial colour presented by a homogeneous liquid internally colourless"". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 135: 147–153. doi:10.1098/rstl.1845.0005. Archived
  7. ^ Herschel, John (1845). "On a case of superficial colour presented by a homogeneous liquid internally colourless". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 135: 143–145. doi:10.1098/rstl.1845.0004. Archived
  8. ^ Stokes, G. G. (1852). "On the Change of Refrangibility of Light". Philosophical Transactions of the Royal Society of London. 142: 463–562. doi:10.1098/rstl.1852.0022. Archived
  9. ^ Stokes (1852), pages 472–473. In a footnote on page 473, Stokes acknowledges that in 1843, Edmond Becquerel had observed that quinine acid sulfate strongly absorbs ultraviolet radiation (i.e., solar radiation beyond Fraunhofer's H band in the solar spectrum). See: Edmond Becquerel (1843) "Des effets produits sur les corps par les rayons solaires" Archived
  10. ^ Holler, F. James; Skoog, Douglas A. and Crouch, Stanley R. (2006) Principles Of Instrumental Analysis. Cengage Learning. ISBN 0495012017
  11. ^ 11.0 11.1 Lakowicz, Joseph R. (1999). Principles of Fluorescence Spectroscopy. Kluwer Academic / Plenum Publishers. ISBN 978-0-387-31278-1.
  12. ^ Valeur, Bernard, Berberan-Santos, Mario (2012). Molecular Fluorescence: Principles and Applications. Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-32837-6. p. 64
  13. ^ "Animation for the Principle of Fluorescence and UV-Visible Absorbance" Archived 9 June 2013 at the Wayback Machine.. PharmaXChange.info
  14. ^ Valeur, Bernard, Berberan-Santos, Mario (2012). Molecular Fluorescence: Principles and Applications. Wiley-VCH. ISBN 978-3-527-32837-6. p. 186