ﻊﺴﺎﺘﻟﺍ لﺼﻔﻟﺍ ﻲﺌﻴﺯﺠﻟﺍ...

1 )منذر سلیم عبد اللطیف. د.أ(التحلیل اآللي بادئ م

تاسعالفصل ال

طيف الوميض الجزيئيمقدمة في

) في منطقة الضوء المرئي إلى فوق البنفسجية(عند سقوط أشعة ذات طول موجي مناسب على جزيئات كيميائية ، فإن تلك الجزيئات يمكنها امتصاص جزء من الشعاع الساقط ،

قانون وبذلك يمكن حساب االمتصاص ، الذي يعتمد على تركيز الجزيئات ، بحسب Beer . ، لكن في نفس الوقت فإنه يمكن القول أن عدداً من الجزيئات قد امتصت طاقة

وهنا ال بد لتلك الجزيئات من العودة إلى الحالة . وبالتالي انتقلت إلى الحالة المثارةاألرضية المستقرة ، عن طريق التخلص من تلك الطاقة ، ويعتبر الوميض أحد طرق

وينقسم الوميض . للعودة من الحالة المثارة إلى الحالة األرضية التخلص من فرق الطاقة :ى عدة أقسام قد يكون أشهرهاإل

fluorescenceال .1

phosphorescenceال .2

إلى الحالة األرضية ، الحالة المثارة منالجزيئات انتقالن عوهما نوعان ينشآن قتي الضوء المرئي امتصاص أشعة في منطمع العلم أنه يتم إثارة الجزيئات نتيجة

).nm 780- 200(األشعة فوق البنفسجية وأ )أو الوميض الكيميائي( chemiluminescenceال .3

وفيه يتم انتقال ينشأ عن انتقال الجزيئات من الحالة المثارة إلى الحالة األرضية ، الجزيئات من الحالة األرضية إلى الحالة المثارة عن طريق اكتساب طاقة ناتجة

.ل كيميائي ، وليس عن طريق أشعة ساقطة عليهاعن تفاع )أو الوميض الكهربي( electroluminescenceال .4

وفيه يتم انتقال ينشأ عن انتقال الجزيئات من الحالة المثارة إلى الحالة األرضية ، ض الجزيئات إلى يالجزيئات من الحالة األرضية إلى الحالة المثارة عن طريق تعر

ويستخدم هذا النوع من . ، وليس عن طريق سقوط أشعة عليهاتيار أو جهد كهربي .وشاشات العرض التي تعتمد عليها ايضاً LEDsالوميض في مصابيح ال


)أو الوميض الحراري( thermoluminescenceال .5وفيه يتم امتصاص ينشأ عن انتقال الجزيئات من الحالة المثارة إلى الحالة األرضية ،

يؤدي إلى ظهور من قبل العديد من المواد المتبلرة ، مما األشعة عالية الطاقة مستويات طاقة الكترونية فيها ، وفي بعض تلك المواد أو المعادن تكون تلك

داخل الشبكة البلورية لفترات ) defects(المستويات محجوزة أو محبوسة في مواضع ة المختزنة والتي زمنية طويلة للغاية ، وعند تعريض تلك المواد للحرارة فإن األشع

تتحرر وتعطي ضوء ) خالل األعوام والقرون الماضية(تم امتصاصها سابقاً ر المواد المختلفة كاألواني اعمأويستخدم هذا النوع من الوميض في تحديد ). وميض(

.الخزفية والفخارية وغيرهاالثالثة األولى فقط وبالرغم من أهمية جميع األنواع المذكورة ، إال أننا سنقوم بدراسة األنواع

شدة الوميض المنبعث منها مع تركيز المادة نفسها، وذلك لما لتلك األنواع من عالقة مباشرة ل .، وهو محور اهتمامنا في الكيمياء التحليلية

tripletوالحالة singletالحالة حة لها ، وبالتالي كما أسلفنا سابقاً ، فإننا عند حديثنا عن االلكترونات ، ومستويات الطاقة المتا

إمكانية االنتقال من مستوى طاقة أدنى إلى مستوى طاقة أعلى عند امتصاصها كمية مناسبة كما . ، فإننا غالباً ما نتحدث عن االلكترونات المشاركة في الروابط) أو العكس(من الطاقة

spinكترون يكون لكل إل(نعلم أيضاً أن أية رابطة عادة ما تتكون من زوج من االلكترونات لكن ). Pauli exclusionبحسب مبدأ وذلك في الحالة األرضية ، معاكس لاللكترون اآلخر ،

ماذا يحدث عندما يمتص االلكترون في الرابطة كمية كافية من الطاقة تستطيع حمله : السؤال نفي الحقيقة يمكن التمييز بين وضعين مختلفين لحال ذلك االلكترو. إلى مستوى طاقة أعلى؟

:، وذلك كما يلي المثارالخاص به كما spinأن ينتقل االلكترون إلى مستوى طاقة أعلى محافظاً على نفس ال .1

كان في الحالة األرضية ، وفي هذه الحالة يشار إلى االلكترون بأنه في الحالة األحادية )singlet state ( ألنه يمكن حساب عدد الحاالت من قانون التعددية ،)multiplicity (

:حيث

spins +1مجموع ال = عدد الحاالت


1= 1) + معاكس لآلخر spinألن كل الكترون له ( 0= عدد الحاالت singlet stateوهو ما يشار إليه بال

عما (الخاص به spinلكن هناك خيار آخر لاللكترون ، يتمثل في إمكانية أن يعكس ال .2لك عبر ميكانيزمات سنبينها الحقاً ، مما يؤدي ، وذ) كان عليه الحال في الحالة األرضية

:حيث). triplet stateاو ال (إلى ما يعرف بالحالة الثالثية

spins +1مجموع ال = عدد الحاالت spin = 1/2 + (1 =3ألن كل الكترون له ( 1= عدد الحاالت

triplet stateوهو ما يشار إليه بال

بطريقة غير مباشرة ، وذلك عن triplet stateال وعادة ما يتم ال الحصول على ، وذلك triplet stateالمثارة إلى ال singlet stateطريق انتقال االلكترون في ال

حالةإلى singlet حالةأي من ( حالةإلى حالةمن خالل عملية تسمى عملية العبور من triplet (مالية االنتقال من كما تجدر اإلشارة إلى أن احت. كما سنرى بعد قليلsinglet

والعكس ، tripletإلى singletتعتبر أعلى بكثير من احتمالية االنتقال من singletإلى ينسجم تماماً مع شدة الوميض الناشئ عن كل منهما ، حيث يكون في الحالة األولىمما

النتقال أعلى بكثير من الشدة التي نحصل عليها من خالل ا) singletإلى singletمن ( .أوالعكس tripletإلى singletمن


العمليات المختلفة التي تحدث داخل الجزيء نتيجة المتصاص األشعةعندما يسقط شعاع ضوئي له طول موجي مناسب على الجزيء ، فإنه من الممكن تتبع عدد

:من العمليات المختلفة ، التي يمكن ان تحدث نتيجة لذلك ، ومن تلك العمليات ما يليi. االمتصاص)absorption(

حتوي على في الجزيئات التي ت(، اًالطول الموجي للشعاع الساقط مناسب عندما يكون، فإن الجزيء يمتص جزءاً من الشعاع الساقط عليه ، وتنتقل )مناسبة πروابط

singlet(الموجودة أصالً في الحالة االلكترونية األرضية األحادية (االلكترونات

electronic ground state (( إلى مستوى الكتروني ذو طاقة أعلى ،)excited

singlet electronic state (فمن الممكن أن ينتقل . ، وذلك بحسب الطاقة التي امتصهااألقرب إلى الحالة (من الحالة االلكترونية األرضية إلى الحالة االلكترونية المثارة األولى

أو ، أو إلى أي من المستويات االهتزازية ، أو غيرها ، أو الثانية أو الثالثة) األرضية :المصاحبة لتلك الحاالت المثارة الدورانية

، تعتبر من أفضل االنتقاالت ، ويعتبر وجودها في مركب ما *π−πإن االنتقاالت من ال وتكتسب . في عملية التحليل luminescence spectroscopyأساساً للتفكير باستخدام ال

أهمية خاصة نظراً للخصائص المثالية التي تمتلكها ، ومن *π−πالنتقاالت من ال تلك ا :أهمها


الطاقة الالزمة لالنتقال قليلة نسبياً ، وبعيدة عن الطاقة الالزمة لتكسير المركب .1)photodecomposition energy.(

*n−πمقارنة بال ( 105- 103معامل االمتصاصية لها عالي للغاية ، إذ يصل إلى .2 .، مما يسمح بحساسية عالية) 1000أقل من *n−σ أقل من مائة ، و

أكثر *π في المذيبات القطبية ، تزداد االمتصاصية بشكل ملموس ، وذلك ألن ال .3التي تقل طاقتها في المذيبات ( πمن ال )تقل طاقتها أكثر في المذيبات القطبية(قطبية

والمحصلة نقص الطاقة الالزمة لالنتقال من ). القطبية ، لكن بشكل قليل للغاية ، نسبياً .red shiftأو bathochromic shift، وهو ما يطلق عليه *π−πال

قليلة ) singlet stateفي ال (الفترة الزمنية التي يقضيها الجزيء في الحالة المثارة .4ة عن ، مما يقلل من فرصة حدوث فقد للطاق) من الثانية 7-10إلى 9-10حوالي (نسبياً

طريق التصادمات مع الجزيئات األخرى ، أو عبر انتقال الطاقة إلى جزيئات أخرى .غير مثارة ، أو خالف ذلك

Process Transition Timescale (sec)

Light Absorption (Excitation) S0 → Sn ca. 10-15 (instantaneous)

Internal Conversion Sn → S1 10-14 to 10-11

Vibrational Relaxation Sn* → Sn 10-12 to 10-10

Intersystem Crossing S1 → T1 10-11 to 10-6

Fluorescence S1 → S0 10-9 to 10-6

Phosphorescence T1 → S0 10-3 to few S

Non-Radiative Decay S1 → S0 T1 → S0

10-7 to 10-5 10-3 and more

صاص تتوقف على خصائصه وتركيبه الكيميائي ، مع العلم أن قدرة الجزيء على االمت

كما تبين معنا سابقاً ، كما أن االمتصاص يحدث بمجرد سقوط الشعاع ويستغرق فترة أي (وتعتبر هذه العملية . من الثانية 15-10إلى 14-10زمنية قصيرة للغاية قد تصل إلى

ت أخرى ، وبالتالي يجب األساسية الالزمة لحدوث أية عمليااألولية الخطوة ) تصاصماال


التأكد من امتالك الجزيء للتركيب الكيميائي المناسب لحدوث امتصاص جيد ، إذا كنا .نرغب بالحصول على الوميض

هي االنتقاالت المحبذة ، كون االنتقاالت من ∗π−πوغني عن الذكر أن االنتقاالت من نوع :والتي يمكن تلخيصها بما يلي ،غير مرغوبة لألسباب المذكورة *σ−σ*, n-σ*, n-πنوع

:منها ، ينطوي على مخاطر ومشاكل متعددة *σ−σاالنتقال من ال

طاقة عالية قد تتسبب في تكسر المركبتحتاج إلى .1) vacuum UV(طاقة عالية تقع في منطقة األشعة فوق البنفسجية المفرغة تحتاج إلى .2

استخدام جو مفرغ من وعندها كل مركبات الهواء الجوي تمتص ، وعليه يجب .ليس هذا فقط بل أيضاً مصدر إضاءة ومكشاف مناسبين. الهواء

، وبالتالي ال يمكن تخفيف *σ−σجميع أنواع المذيبات تحتوي على روابط من نوع .3 .*σ−σالعينة ، وال يمكن تقديرها في وجود مذيبات تحتوي بالضرورة على

:ل بما يلييعاني من مشكالت تتمث *n−σاالنتقال من ال

non bonding(تقريباً جميع المذيبات تحتوي على الكترونات غير رابطة .1electrons ( وعلى رأسها أهم مذيب ، أال وهو الماء ، فلهذا ال يمكن استخدام الماء ،

.كمذيب إذ أن كل جزيء من الماء يحتوي على زوجين من االلكترونات الحرةتزداد ، وهو ما *n−σالطاقة الالزمة لالنتقال فإن ) كالماء(في المذيبات القطبية .2

. ، مما يقلل احتمالية االمتصاص blue shiftأو hypsochromic shiftيطلق عليه .بمعامل امتصاص قليل نسبياً *n−σعادة ما تتميز االنتقاالت من ال .3

، دة ر مفيال تتطلب طاقة عالية على اإلطالق إال أنها غي *n−πبالرغم من أن االنتقاالت من :وذلك لألسباب التالية

يعتبر قليل جداً *n−πمعامل االمتصاصية لالنتقال من ال .1، وبالتالي ال يمكن πبعض المذيبات تحتوي على الكترونات غير رابطة وروابط .2

.استخدامها في تحضير العينة


في الحالة المثارة طويل نسبياً ، مما يسمح بحدوث الذي تقضيه الجزيئات الزمن .3ألرضية دون وميض ، حيث يفقد االنتقاالت العكسية من الحالة المثارة إلى الحالة ا

يء طاقته عن طريق التصادمات مع جزيئات أخرى ، أو على هيئة حرارة الجز)radiationless deactivation( أو عبر وسائل أخرى ،.

ii. االسترخاء االهتزازي)vibrational relaxation(

فوتونات ذات طاقة كافية النتقاله إلى أحد المستويات االلكترونية عندما يمتص الجزيء المثارة ، فيمكن للجزيء أن ينتقل إلى أي من مستويات الطاقة المختلفة في المستوى

مستوى الطاقة االلكتروني األساسي ، مستوى الطاقة االهتزازي األول ، مستوى (المثار المصاحبة لكل ن مستويات الطاقة الدورانيةأو أي م... الطاقة االهتزازي الثاني ،

إال أن .، وذلك تبعاً لطاقة الفوتون الذي تم امتصاصه) ، وهلم جر مستوى اهتزازيالزمن الذي يقضيه الجزيء في أي من مستويات الطاقة االهتزازية أو الدورانية يكون

يئات المثارة تميل وعليه فإن الجز. من الثانية 11-10قليالً للغاية ، ويصل إلى حوالي first excited(بشكل طبيعي إلى أن تكون في المستوى االلكتروني األساسي المثار

electronic level (وعادة ما يفقد الجزيء . ، كون زمن تلك الحالة المثارة أكبر بكثيرالطاقة االهتزازية للوصول إلى المستوى االلكتروني األساسي المثار ، وذلك عبر عملية

، وفي هذه الحالة يتم vibrational relaxationق عليها االسترخاء االهتزازي أو يطل .فقد الطاقة على صورة كميات غير محسوسة من الحرارة

iii. الفلورة)fluorescence(

علمنا مما سبق أنه بعد أن يمتص الجزيء طاقة مناسبة فإنه ينتقل من الحالة األرضية إلى وبعدها ال بد . بة للمستوى االلكتروني في الحالة المثارةأي من مستويات الطاقة المصاح

مستوى الطاقة االلكتروني األساسي في المستوى المثار ، لى إللجزيء من الوصول :ت متعددةوحينها يكون هناك احتماال

أن ينتقل الجزيء إلى المستوى األرضي عبر فقد فوتون تتناسب طاقته مع فرق .1وهذا الفوتون الذي نحصل عليه عبر االنتقال . ي والمثارالطاقة بين المستويين األرض

ومن المالحظ أن . fluorescenceهو ما يطلق عليه الفلورة أو ال S1-Soمن ال عدداً قليالً فقط من الجزيئات تنحو هذا المنحى ، بمعنى أن عدد الجزيئات التي تعطي


التركيب الكيميائي يعتبر قليالً ، ويرتبط بتفاصيل هامة من ضمنها فلورة وميض .وأنواع الروابط ، ومكونات المحلول ، وغير ذلك مما سنتناوله بالتفصيل الحقاً

أن ينتقل الجزيء إلى المستوى األرضي دون فقد فوتون ، بل عبر وسائل اخرى .2ومن خالل . internal conversionمختلفة ، وهو ما يطلق عليه التحول الداخلي او

إلى الحالة ) … ,S2, S3, S4(زيئات في الحاالت المثارة العالية تلك اآللية تنتقل الجأغلب الحاالت تكون آليات التحول الداخلي غير مفهومة وفي). S1(المثارة األولى

وجود عدد من األسباب ، ومنها إلى حيان في بعض األتماماً ، إال أنه يمكن عزوها مستوى –وربما تمتزج مع - مستويات اهتزازية في الحالة األرضية تمتد تقريباً

:الطاقة في الحالة المثارة ، كما في الشكل أدناه

إلى االنتقال عبر مستويات الطاقة S1وعليه يميل الجزيء الموجود في الحالة المثارة ).So(وصوالً إلى الحالة األرضية ) عن طريق التصادمات مثالً(االهتزازية

األرضي عن طريق فقد فوتون يتم اقتناصه أن ينتقل الجزيء إلى مستوى الطاقة .3بواسطة جزيئات أخرى غير مثارة ، وبالتالي يتم إثارة جزيء منها ، لكن المحصلة

، أو self absorptionوهو ما يمكن تسميته ( أننا لم نحصل على فوتون أو وميض ).امتصاص ذاتي

إلى جزيئات أن ينتقل الجزيء إلى مستوى الطاقة األرضي عن طريق فقد طاقته .4 .المذيب أو أحد مكونات المحلول ، غالباً من خالل التصادمات

التحول الخارجي ) 4و 3(ويطلق على اآلليات الواردة في البندين السابقين )external conversion .( وبالتالي يتوقف هذا النوع من فقد الطاقة على عوامل


لى إرة ولزوجة الوسط ، وما بديهية مثل مكونات المحلول والتركيز ودرجة الحرا .ذلك

iv. الفسفرة)phosphorescence(

لى إحدى الحاالت إعند امتصاص الجزيء طاقة مناسبة وانتقاله من الحالة األرضية االلكترونية المثارة ، ومن ثم حدوث التحول الداخلي للوصول إلى الحالة االلكترونية

، فإنه من الممكن للجزيئ ) لدورانيةفي أحد مستوياتها االهتزازية وا(المثارة األولى إلى ال singletمن ال (االنتقال من تلك الحالة األحادية المثارة إلى الحالة الثالثية

triplet ( وذلك عند تكافؤ الطاقة في الحالتين ، إال أن ذلك يتطلب أن يتم عكس اتجاه ،الحالة الثالثية ، التي ، لينسجم معلاللكترون المثار ) flip in spin(الدوران المغزلي

ويطلق على هذا التصرف العبور من . تكون بالضرورة أقل في الطاقة من الحالة األحاديةإلى نظام singlet، أي العبور من نظام ) intersystem crossingأو (نظام إلى نظام

triplet .(م وهناك عدد من العوامل التي تسهم في نجاح وتفضيل عملية العبور من نظاsinglet إلى نظامtriplet ومن تلك العوامل ما يلي ،:

a( وجود األكسجين الذائب في المذيب

b( وجود الكترونات غير رابطة من نوعn−π*.

c( إحتواء المذيب على ذرات ثقيلة)مثل ) أي تحتوي على عدد كبير من االلكترونات .اليود والبروم

d( وجود عناصر انتقالية تحتوي على مدارd غير مشبع.

e( وجود ذرات بارامغناطيسية)paramagnetic atoms.(

على أي حال ، فإن وجود االلكترون في الحالة الثالثية المثارة بالضرورة يستغرق زمناً ، وال يمكن عودة االلكترون إلى المغزلي طويالً ، حيث ال بد من حدوث انقالب في العزم

انقالب في العزم المغزلي ، ألن الحالة الحالة األرضية بسهولة ، ألنه يحتاج مرة أخرى إلى لذلك فإن . األرضية هي حالة أحادية ، أي تتطلب أن يكون االلكترونان في الرابطة مزدوجين

الزمن الذي يقضيه الجزيء في الحالة الثالثية يعتبر طويالً جداً بالمقارنة مع الحالة األحادية ، يجعل احتمالية الحصول على الفسفرة ضئيالً إلى عدة ثوان ، مما 4-10ويكون في المعدل من


فلورة قليلة ، فإنه يمكن اعتبار عدد للغاية ، وفي الحقيقة إذا كانت الجزيئات التي تعطي كما أنه من الواضح أن تأثر الفسفرة بالعوامل مثل ". اًنادر"الجزيئات التي تعطي فسفرة

للفترة سيكون كبيراً جداً ، نظراً مكونات المحلول والتركيز ودرجة الحرارة ولزوجة الوسطكما تجدر اإلشارة إلى أن تأثير وجود األكسجين على الفسفرة . الزمنية الطويلة للحالة المثارة

.يعتبر ضاراً ومدمراً ، بالرغم من تسهيل عملية االنتقال إلى الحالة الثالثية ، كما سنرى الحقاً

ذكرناها آنفاً ، والتي يلخصها ما يعرف ويبين الشكل التالي العمليات المختلفة التي . Jablonskiبشكل

v. التفكك والتفكك القبلي)dissociation and predissociation(

فمن ) أكبر من طاقة الرابطة(إذا كانت طاقة الشعاع الساقط على جزيء ما عالية جداً . dissociationالبديهي أن تنكسر الرابطة مباشرة ، وهو ما يطلق عليه مصطلح ال

عندما ال تكون طاقة الشعاع كافية لكسر الرابطة ، لكنها كافية لكن في بعض األحيان ال (، ونتيجة للتحول الداخلي ) S3أو S2مثل ( يإلى مستوى طاقة عال يءلنقل الجز

internal conversion ( فإنه من الممكن أن ينتقل الجزيء من تلك المستويات العاليةاالهتزازية عالية الطاقة في مستوى الطاقة المثار األدنى ، مما إلى أحد المستويات


إن هذا النوع من كسر . يجعل الرابطة تهتز بقوة كبيرة جداً قد تؤدي إلى كسر الرابطة). predissociationأو(الرابطة الناتج عن االهتزاز هو ما يطلق عليه التفكك القبلي

يحدث بالرغم من أن predissociationوكما أوضحنا هنا فإن التفكك في حالة ال طاقة الشعاع لم تكن كافية بالفعل لكسر الرابطة ، وهو ما يميز ال

predissociation عن الdissociation. vi. الفلورة المتأخرة)delayed fluorescence(

من تلك الحالة هنتقالوا tripletإلى ال singletعندما يتم عبور االلكترون من ال ، فإن ذلك يتطلب ) intersystem crossingأي (ية المثارة إلى الحالة الثالثية األحاد

، لينسجم مع الحالة الثالثية ، كما ) flip in spin(أن يتم عكس اتجاه الدوران المغزلي ومن الممكن لاللكترون في الحالة الثالثية العودة مجدداً إلى الحالة األحادية . أوضحنا

بالتالي يحدث ، ومرة أخرى intersystem crossingعمل بعد ) singletحالة (إن . يمكن الحصول على الفلورة في بعض األحيان مي ، ومن ثاالسترخاء االهتزاز

، لكن ) في مدى زمن الفسفرة(هذا النوع من الفلورة التي تتميز بزمن طويل للغاية لفلورة المتأخرة أو بطول موجي مشابه للطول الموجي الخاص بالفلورة ، يطلق عليه ا

delayed fluorescence . ويجب أن نكون قادرين على التمييز بينها وبين الفلورة .الطبيعية على أساس الزمن ، كما هو واضح

، بينما بالضرورة ) طول موجي أقصر(إن عملية االمتصاص أو اإلثارة تتطلب طاقة عالية ، أما الفسفرة ) طول موجي أطول(تكون طاقة الوميض على صورة فلورة لها طاقة أقل

الوميض على كما أن . فينتج عنها وميض له طاقة أقل من الفلورة ، أي طول موجي أطولصورة فلورة يكون أشد بكثير من الوميض على صورة فسفرة ، وذلك انسجاماً مع

:احتمالية حدوث كل منهما


، والفلورة ) اإلثارة(صاص وفي الشكل التالي نالحظ الفرق في األطوال الموجية لالمت :chryseneوالفسفرة لمركب ال


phosphorescenceوال fluorescenceالعوامل التي تؤثر على ال

هناك عدد من العوامل التي تؤثر سلباً أو إيجاباً على شدة الوميض الناتج عن المواد المختلفة ، :ومن تلك العوامل ما يلي

aromaticأو تركيب πوجود روابط .1

مفید للغایة في عملیة) aromatic(أو تركيب حلقي πكما رأينا سابقاً ، فإن وجود روابط

لذلك من . االمتصاص ، التي تعتبر بدورھا المتطلب األولي لإلثارة ، ومن ثم انبعاث الومیضبشكل إیجابي على كل من ) aromatic(أو تركيب حلقي πروابط البدیھي أن ینعكس وجود

.phosphorescenceوال fluorescenceال

)structural rigidity(التركيب الجزيئي ) عدم القدرة على الدوران(صالبة .2

على أو لجزء منھ محدودة ، كلما كان ذلك أفضل لكل من ءكلما كانت القدرة الدورانیة للجزيومن الممكن أن يكون الدوران لجزء من . phosphorescenceوال fluorescenceال

، حيث يمكن ألي biphenylء حول أحد الروابط ، وذلك كما هو الحال في مركب ال الجزي .من الحلقتين الدوران حول الرابطة األحادية بينهما

إن عملية الدوران المذكورة تؤدي إلى تصادمات مع الجزيئات األخرى وجزيئات المذيب ، مما collisionalد طاقتها عن طريق ال المثار تفق biphenylيجعل الكثير من جزيئات مركب ال

deactivation ،ومن الجدير بالذكر أن ال . وبالتالي ال تعطي فوتونات على صورة وميضphosphorescence تعتبر أكثر تأثراً بهذا العامل من الfluorescence ، ببساطة ألن

phosphorescenceالوقت الذي يقضيه الجزيء في الحالة المثارة يكون أطول بكثير في ال . ، مما يعطي الفرصة للجزيء بفقدان الطاقة دون انبعاث وميض fluorescenceمنه في ال

. فقط 0.2ال biphenylلمركب ال fluorescenceوفي الحقيقة ال تتجاوز كفاءة وميض ال


الذي يحتوي على نفس fluoreneوليس أدل على ذلك من مقارنة هذا المركب مع مركب ال ، بخالف أن األخير ال يمكنه الدوران حول أية رابطة ، وذلك لوجود مجموعة ال التركيب

CH2 التي تمنع الدوران ، كما هو واضح في الشكل:

تناسب عكسياً مع يأيضاً ، لعله من المفيد اإلشارة إلى حجم الجزيء ، حيث أن حجم الجزيء

أفضل عن الجزيئات كبيرة الحجمالي تكون كفاءة الوميض الصادر وبالتقدرته على الحركة ، ومن أمثلة ذلك ما . ، ألن صعوبة الحركة تعني بالضرورة قلة التصادمات ، وزيادة الكفاءة

-aluminum 8نالحظه من كفاءة عالية النبعاث الوميض من مركب مثل ال hydroxyquinolate وأيضاً مركب الzinc 8-hydroxyquinolate ، حيث أن حجمهما

:الي حركتهما محدودة للغايةكبير وبالت

تزيد من شدة الوميض الصادر auxochromesوفي كثير من األحيان فإن وجود بعض ال

، أما )OH, -NH2, -OR–مثل مجموعات ال( πعن الجزيئات التي تحتوي على روابط .فإنها تقلل من شدة الوميض COOH, -NO2, -SO3H–المجموعات مثل ال

لمرتبطة بالتركيب البنائي الجزيئي للجزيئات ، وتأثير ذلك على شدة ومن العوامل األخرى اود تلك ، حيث أن وج ∗πإلى ال nالوميض ، وجود انتقاالت سهلة وقليلة الطاقة من ال

وال furanوال pyrroleأنظر مثالً إلى ال . الناتجالفلورة وميض االنتقاالت يقلل من شدة thiophene بسبب االنتقاالت المذكورة ، ) على هيئة فلورة(ها وميضاً والتي ال يعطي أياً من ،

:، وكون تلك المركبات أصالً حلقية πوبالرغم من وجود روابط


πحينما تتم زيادة روابط ال )فلورة( بينما نالحظ أن جميع تلك المركبات تصدر وميضاً جيداً

):قيةفي المركبات المناظرة التي تحتوي حلقة أروماتية إضا(فيها

طبيعة المذيب ومكوناته .3

a( عرفنا فيما سبق أن احتمالية االنتقاالت منπ إلىπ∗ تتحسن في وجود مذيبفرة ، نظراً لزيادة عدد قطبي ، وهو ما يتسبب في زيادة كل من الفلورة والفس

. ات المثارةالجزيئb( احتواء المذيب على ذرات ثقيلة

وم واليود والذرات البارامغناطيسية أيضاً رأينا أن الذرات الثقيلة مثل البرأو dال مدارات وذرات العناصر االنتقالية التي يمكن لالنتقاالت الداخلية في

أن تحدث ، كل تلك األنواع تتسبب عادة في تسهيل تحول حالة الجزيء fال تقل الفلورة من الحالة األحادية إلى الحالة الثالثية ، وعليه من المتوقع أن

.فسفرةوتزداد الc( لزوجة المذيب

تؤثر لزوجة المذيب على كل من الفلورة والفسفرة بشكل كبير ، حيث تقل الفلورة والفسفرة كلما قلت اللزوجة ، وذلك بسبب سهولة حركة الجزيئات في

إال أن تأثير اللزوجة على . األوساط ذات اللزوجة المنخفضة ، والعكسالفلورة ، بسبب طول الفترة الزمنية الفسفرة تكون أكبر بكثير من تأثيرها علىوربما كان ذلك أحد أهم األسباب . التي يقضيها الجزيء في الحالة الثالثية

التي منعت مالحظة عملية الفسفرة عند درجات الحرارة العادية في المحاليل ات الحرارة العادية إال بعد تمكن العلماء من مالحظتها في درجعموماً ، ولم ي


كونات المحلول على ورقة ترشيح ، ومن ثم تبخير المذيب أن تم وضع م، وحينها أصبحت الجزيئات ملتصقة ) في ستينيات القرن الماضي(تماماً

.بالورقة وعاجزة عن الحركة ، فأمكن رؤية الفسفرة في هذه الحالة درجة الحرارة .4

ن بها بلزوجة الكيفية التي تتأثرا بعكستتأثر كل من الفلورة والفسفرة بدرجة الحرارة على كل من الفلورة والفسفرة بشكل تؤثر درجة الحرارة ومن المالحظ أن . المذيب

، وذلك بسبب سهولة درجة الحرارة زادتكبير ، حيث تقل الفلورة والفسفرة كلما مما يزيد فرصة درجات الحرارة المرتفعةحركة الجزيئات في األوساط ذات

على الفسفرة "السلبي"الزيادة في درجة الحرارة ير إال أن تأث. ، والعكس التصادماتكون أكبر بكثير من تأثيرها على الفلورة ، بسبب طول الفترة الزمنية التي يقضيها ي

.الجزيء في الحالة الثالثية pHتأثير ال .5

من pHبشكل كبير ، وذلك لما لل pHفي األغلب ، تتأثر الفلورة والفسفرة بتغير ال و π واستقرار االلكترونات غير الرابطة وااللكترونات في روابط تأثير على ثبات

π∗ . الجزيئات تتأثر بزيادة ال الكثير منوبالتالي نجد أنpH إيجابياً فيما يتعلقوعليه ، ربما . بالفلورة والفسفرة ، إال أن بعض الجزيئات األخرى تتأثر بشكل مغاير

حصول على أعلى فلورة أو فسفرة ، لل pHكان من األسلم أن نفهم ضرورة ضبط ال .لها تأثير إيجابي أو سلبي في جميع الحاالت pHلكن يجب أال ننزلق للتعميم بأن ال

تأثير األكسجين المذاب .6

أو ( tripletإلى ال singletبينا فيما سبق أن األكسجين يسهل عملية االنتقال من ال فلورة ضحاً أنه سيقلل الاو، وبالتالي يكون ) intersystem crossingما يسمى

لكن عملياً نالحظ أن !!!. بالضرورة ، وقد يتوقع البعض أنه سيزيد من كفاءة الفسفرةوجود األكسجين في المحلول بالفعل يقلل كفاءة الفلورة ، لكن تأثيره السلبي على الفسفرة أكبر بكثير ، حيث يمنع الحصول على الفسفرة تماماً ، بالرغم من كفاءة

إن السبب المباشر في ذلك يرجع إلى طبيعة . !!!ال الجزيئات إلى الحالة الثالثيةانتق


التركيب االلكتروني لألكسجين ، حيث أن الحالة األرضية له هي الحالة الثالثية . وليست األحادية

كسجين في وهذا يعني أن انتقال الطاقة من الجزيئات المثارة في الحالة الثالثية إلى األ

يعتبر عملية أسهل بكثير من عودة الجزيئات في ) األرضية لتهحافي (الثالثية الحالةالحالة الثالثية إلى الحالة األحادية األرضية ، ألن ذلك يتطلب العبور من نظام إلى

.آخر ، إضافة إلى انقالب في العزم المغزلي

أو الفسفرة الناتجة عن لذلك من البديهي التخلص من األكسجين بشكل تام عند دراسة الفلورة .الجزيئات المختلفة

)والفسفرة مثل ذلك(تأثير التركيز على الفلورة .7


من البديهي أن الفلورة الناتجة عن الجزيئات تتناسب طردياً مع الفرق في شدة الشعاع الخارج من العينة ، أي فعلياً الضعف في شدة الشعاع ، وعليه من الممكن الداخل و= :القول ( − )

= :لكن من المعلوم أيضاً أن. هما شدة الشعاع الخارج والداخل للعينة و حيث 10

= :وبالتعويض في المعادلة األولى نجد أن. هي االمتصاص Aحيث (1− 10 )

= :األتيلحل هذه المعادلة ، حيث نحصل على McLaurenومن الممكن استخدام طريقة (2.303 − (2.303 ) 2! + (2.303 ) 3! − (2.303 ) 4! + …

نجد أنه من الممكن إهمال جميع القيم األسية A<<0.05واآلن ، في الحاالت التي تكون فيها :، دون حدوث أخطاء محسوسة ، وبالتالي من الممكن تبسيط المعادلة لتصبح

:وحيث أن

:فإن المعادلة النهائية تصبح كالتالي

:إن المتمعن في هذه المعادلة يستنتج ما يليبشكل طردي ، وهو تصرف متوقع ، حيث أن الفلورة من الطبيعي εتتناسب الفلورة مع .1

.أن تتناسب مع االمتصاصية

، وهو أيضاً استنتاج معقول ، ألن ) b(شعاع في الخلية تتناسب الفلورة مع طول مسار ال .2 .تزداد بزيادة طول المسار) وبالتالي اإلثارة(عدد الجزيئات التي يصادفها الشعاع

، وهو استنتاج هام إذا ما قارناه بطبيعة االمتصاص تتناسب الفلورة طردياً مع التركيز .3أن الفلورة بالضرورة أكثر حيث ان االمتصاص هو عالقة لوغاريتمية ، وهذا يعني

.حساسية من االمتصاص

تتناسب الفلورة طردياً مع شدة الشعاع الساقط ، وهي مالحظة جديرة باالهتمام ، إذ من .4بزيادة شدة الشعاع الساقط على العينة ، ومن سين الحساسية وزيادة الفلورة فقطالممكن تح


عالية الشدة ، األمر الذي لم يكن أجل ذلك يتم بالفعل استخدام مصادر إضاءة ذات أشعة . ممكناً في األجهزة القائمة على قياس االمتصاص

كما أن هذا االستنتاج أدى على استخدام الليزر كمصدر إضاءة قوي ، وذلك للحصول . على الفلورة من جزيئات تعطي فلورة ضعيفة جداً أو معدومة باستخدام المصادر العادية

ويستخدم ) laser induced fluorescence(الفلورة ويطلق على هذا النوع من .LIFاالختصار

لكن من المهم أن نتذكر أن العالقة الخطية بين شدة الفلورة والتركيز تكون صحيحة فقط تحت :الشروط التالية

.0.05أن ال يتجاوز امتصاص المحلول .1

ع جزيئات أن ال يفقد الجزيء طاقته نتيجة للتصادمات مع الجزيئات األخرى أو م .2 .self quenching)(المذيب ، وهو ما يعرف اصطالحاً بالتضعيف الذاتي

،وهو ما يشار إليه ) من نفس النوع(أن ال يفقد الجزيء طاقته لجزيء غير مثار .3 ).self absorption(بمصطلح االمتصاص الذاتي

quantum yieldالعائد الكمي أو ال عن طريق حساب نسبة عدد الفوتونات التي نتجت الفلورةعملية يمكن التعبير عن مدى كفاءة

وبالتالي نحصل عادة على . عن العينة إلى عدد الفوتونات التي سقطت عليها) كوميض فلورة(كسر ، وكحد أقصى يمكن الحصول على واحد صحيح ، عندما نحصل على فوتون فلورة من

باستخدام بعض األصباغ ذات الكفاءة وفي الحقيقة أن هذا ممكن . كل فوتون يسقط على العينة .العالية ، مثل األصباغ المستخدمة في بعض الليزرات

ومن الممكن ضرب العائد الكمي بمائة ، وبذلك نحصل على نسبة مئوية ، وهذا اسهل Fluorescence( للفلورة في هذه الحالة الكفاءة الكميةلعمليات المقارنة ، ويسمى

Quantum Efficiency(. يمكن االستدالل على العائد الكمي من معدل العمليات التي تحدث في الجزيئات بعد كما

االمتصاص ، فإذا لم تكن هناك أية عمليات فقدان للطاقة إال عبر الفلورة ، فإن العملية تكون ولكن مثالً لو كانت آليات االنتقال إلى الحالة الثالثية ميسرة ، أ. كفؤة ، والعائد الكمي كبير


ومن الممكن . ن التحول الداخلي أو الخارجي سهالً ، وما إلى ذلك ، فإن العائد الكمي يقلكا= :التعبير عن ذلك عبر المعادلة التالية + + + + + + …

+ :علماً بأن + + + = 0

للفلورة تعبر عن العائد الكمي تعبر عن معدل التفكك القبلي ، معدل التفكك ، معدل ، ، ، ، ،

االنتقال من الحالة األحادية إلى الثالثية ، معدل التحول الخارجي ، معدل التحول الداخلي ، فإذا كان مجموع العمليات المختلفة عدا الفلورة تساوي صفراً ، فإن العائد . ل الفلورةومعد

).أعلى ما يمكن(الكمي يكون واحد صحيح

.وكلما ازدادت قيمة أي من المعدالت األخرى ، كلما قل العائد الكمي بالضرورة

شدة الوميضالمستخدمة في قياس ) التصاميم( أنواع األجهزة

هناك عدة تصاميم لألجهزة المستخدمة في قياس طيف االمتصاص في منطقتي األشعة المرئية :وفوق البنفسجية ، ومن الممكن تقسيمها إلى األقسام التالية

a) أجهزة ال تستخدم المسح) non scanning instruments ، وهذه عادة ما تستخدم ) ، ويطلق عليها الفالتر fluorometers ، أو monochromators ، ويطلق عليها

spectrofluorometers

دون شعاع مرجعيلكن ، الفالتر أجهزة تستخدم .1

أجهزة تستخدم الفالتر ، لكن مع شعاع مرجعي ومكشاف ثان ، ويطلق عليها .2مع أن األصح أن يطلق عليها double beam instrumentsمصطلح

dual beam instruments

، لكن دون شعاع مرجعي monochromatorأجهزة تستخدم .3


، لكن مع شعاع مرجعي ومكشاف ثان ، monochromatorأجهزة تستخدم .4مع أن األصح أن double beam instrumentsويطلق عليها مصطلح

dual beam instrumentsيطلق عليها

b( أجهزة تستخدمmonochromator ويطلق عليها تسمىspectrofluorometers :أنواع ويندرج تحتها عدة، ) scanning(أجهزة تستخدم المسح وهي

i. أجهزة تستخدمmonochromator دون شعاع مرجعي ،

ii. أجهزة تستخدمmonochromator ، لكن مع شعاع مرجعي ومكشاف ثان ،مع أن األصح أن يطلق عليها ، double beam ويطلق عليها مصطلح

dual beam instruments كما ذكرنا ،.

iii. أجهزة المسبار)probe type instruments(

، ) probe(هذه األجهزة تجد اليوم تطبيقات متزايدة ، حيث يستخدم مسبار لنقل الشعاع من المصدر إلى العينة ، ومن ثم من العينة إلى المكشاف ، وذلك

.لقياس الفلورة الناتجةiv. أجهزة قياس الفلورة باالميكروسكوب

تبين لنا أن تلك المكونات تتضمن ما د تحدثنا سابقاً عن المكونات األساسية لألجهزة ، ووق :يلي

مصدر اإلضاءة .1

وهنا نحتاج إلى إثنين ، واحد، monochromatorال (أداة اختيار الطول الموجي .2للحصول على الطول الموجي الالزم لإلثارة والثاني لتمييز الطول الموجي الناشئ عن

، أو إثنان من الفالتر لنفس الغرض) اثاالنبع

الخلية .3

المكشاف .4

وأنواعه ، وخصائص أدائه ، كما تحدثنا monochromatorوقد تحدثنا باستفاضة عن ال ، وخصائص كل منها ، إضافة إلى الخلية ، حيث ) detectorsال (عن أنواع المكاشف


ال تصلح للعمل أو البولي بروبيلين ذكرنا أن الخاليا المصنوعة من الزجاج أو البولي إيثيلين في منطقة األشعة فوق البنفسجية ، ويقتصر استخدامها على منطقة األشعة المرئية ، أما

فتصلح لالستخدام في ) fused silica(الخاليا المصنعة من الكوارتز أو السيليكا المنصهرة يجدر اإلشارة إلى أن لكن .منطقة الضوء المرئي واألشعة فوق البنفسجية ، على حد سواء

.األوجه األربعة للخلية المستخدمة في قياس الوكيض تكون شفافة ومنفذة للضوء

.، التي تتوقف على التقنية المراد استخدامها لكننا لم نتحدث بالتفصيل عن مصادر اإلضاءة لى العينة لقد رأينا أيضاً في الفقرات الماضية أن شدة الفلورة تتناسب مع شدة الشعاع الساقط ع

مصباح الزينون أو ، وبالتالي يبدو مبرراً جداً البحث عن مصدر إضاءة عالي الشدة مثل .يزرالنيون ، أو الل

ن أكثر مصادر اإلضاءة استخداماً هو مصباح الزينون ومن الناحية العملية ، يمكن القول أويتكون ، )high pressure xenon(or neon)-arc lamp( والنيون عند ضغط مرتفع

يصل (عند ضغط مرتفع xenonمن انتفاخ من الكوارتز ، يحتوي على غاز الزينون مصباححدث إثارة لذرات توعند مرور التيار . بينهما ي، وقطبين يمكن تمرير تيار عال) bar 5إلى ، وعند عودتها إلى الحالة األرضية تعطي شعاعاً من األطوال الموجية ، في xenonال

). عملياً(، أي يغطي كامل منطقة األشعة المرئية وفوق البنفسجية nm 1000-200المدى من


ومن الجدير بالذكر أن الطيف المنبعث من مصباح الزينون يعتمد على الضغط داخل المصباح ، إذ من الممكن أن نشاهد طيفاً تتركز فيه خطوط متقاربة عند ضغط منخفض نسبياً ، بينما

).تذكر اتساع الخط الذري بزيادة الضغط(كل المستمر كلما ازداد الضغط يميل الطيف إلى الش

:أننا يجب أن ننتبه لخصائص هذا المصدر ، وخاصة ما يليإال

إلى مزود طاقة ثابت ، ألن شدة األشعة الصادرة عن المصباح زينونيحتاج مصباح ال .1متذبذبة فستكون شدة وبالتالي إذا كانت الطاقة المدخلةتتوقف على الطاقة المدخلة ، يعتبر لطاقةلاستهالك المصباح لى ذلك أنإأضف . الوميض الناتج متذبذبة أيضاً

ومزود الطاقة ، مما يجعل المصباح وملحقاته مكلفاً ، وقد تصل تكلفة المصباح اًكبير .أكثر من ألفي دوالر

حسوسة من شدة اإلضاءة الصادرة عن المصباح كبيرة جداً ، وقد تؤدي إلى كميات م .2لهذا يجب االنتباه إلى عدم تعريض ). photodecomposition(تكسر الجزيئات

.لفترات طويلة) عند األطوال الموجية القصيرة(العينة لألشعة فوق البنفسجية

شدة األشعة الصادرة من المصباح في منطقة األشعة فوق البنفسجية عالية جداً ، .3األوزون ، وهو غاز ضار إذا تم استنشاقه ، وتسبب تحول األكسجين في محيطها إلى .مما يحتم استخدام مختبرات جيدة التهوية

excitation and emission filters or(موضعة أدوات التحكم بالطول الموجي

monochromators(

من 90oكما بينا سابقاً ، يجب أن يكون قياس االنبعاث الناشئ عن العينة عنذ زاوية قدرها ة الشعاع نشأ نتيجة لضرورة التفريق بين شدالساقط ، وذلك لتقليل الخطأ ، الذي يالشعاع

الهائلة الساقطة على العينة ، وشدة الشعاع المنخفضة للغاية ، الناشئة عن االنبعاث ، وهذا ضروري للغاية حتى نتمكن من قياس االنبعاث في غياب أي أشعة في الخلفية

)measurement against zero background:(


:وفيما يلي تفصيل ألنواع األجهزة المختلفة

) non scanning instruments(أجهزة ال تستخدم المسح : أوالً

دون شعاع مرجعي fluorometersأجهزة ال .1

، وتستخدم في منطقة )نسبياً( وهي أجهزة بسيطة ، عادة ما تتكون من مكونات رخيصة الثمنومن البديهي أن مصدر . ام بوظائف محددة مسبقاً ، ال تتجاوزهاالضوء المرئي ، بالذات للقي

وأداة اختيارالطول الموجي هي بالتأكيد الفلتر ، xenon-arc lampاإلضاءة هو )absorption or interference( سواء إلدخال الطول الموجي)نعلم أنه حزمة ضوئية (

، أما المكشاف فهو عادة ما االنبعاثالناتج عن الالزم لإلثارة أو قياس شدة الطول الموجي ، ألننا في الواقع بحاجة إلى مكشاف عالي الحساسية لقياس photomultiplier tube يكون

:والشكل التالي يوضح مكونات الجهاز وآلية عمله. شدة الوميض ، التي قد تكون قليلة للغاية


، )بناء على معلومات مسبقة(واالنبعاث لإلثارة أما عملية القياس فتبدأ باختيار الفلتر المناسب االنبعاث ، كإشارة أو قيمة معينة ، تختلف قيمة فنحصل على، العينة في الخليةومن ثم وضع

وعادة ما (شدة الشعاع الساقط ، وحساسية المكشاف ، وغيرها وتعتمد علىمن جهاز آلخر ، .countsيعبر عنها بال

ة ، وكذلك لتدريب طلوبتراكيز بعض المواد المقياس لددة ويجد مثل هذا الجهاز تطبيقات متع . الطلبة على هذه التقنية

)شعاع مرجعيفي وجود ( double beam fluorometersأجهزة ال .2

الغرض األساسي من الشعاع المرجعي يكمن في محاولة التخلص من أي تذبذب في ساقط فإن شدة الشعاع شدة الشعاع الساقط ، حيث أنه في حالة زيادة شدة الشعاع الواآلن لو أخذنا اإلشارة . المرجعي تزداد أيضاً وكذلك شدة الوميض ، والعكس صحيح

على أنها شدة الوميض الناتج مقسوماً على شدة الشعاع المرجعي فإن اإلشارة في هذه .الحالة لن تعتمد على تذبذب الشعاع الساقط ، وهو ما نرغب به

، فإنها تشبه ما monochromatorsتخدم المسح بينما تستخدم ال أما األجهزة التي ال تس .monochromatorsتقدم في النوعين السابقين ، مع استبدال الفالتر بال


scanning(تستخدم المسح الموجي التي spectrofluorometersأجهزة : ثانياً

instruments(

dispersionعلى ل منها كيحتوي monochromatorsفي هذه األجهزة يتم استخدام

element ودون الحاجة ، بدقة يار األطوال الموجية المناسبة لإلثارة واالنبعاث، وذلك الخت dispersion element (grating or prism)إلى تغيير أية فالتر ، وبديهي أن تحريك ال

وبالتالي فإن ( ، أو بواسطة موتور )nonscanningوبالتالي يكون الجهاز ( إما أن يتم يدوياًإلى الجهاز يعني monochromatorsإن إضافة ). scanningالجهاز يصبح في هذه الحالة

، وعليه فإنه اتدوالرال عدة آالف منببساطة زيادة ملحوظة في سعر الجهاز قد تصل إلى من البديهي أن يتم استخدام مكونات ذات جودة أعلى من تلك المستخدمة في ال

fluorometometers معظم األجهزة من هذا النوع أن ، بما في ذلك المكشاف ، حيث .ذات الحساسية العالية ، photomultiplier tube هو ال حساساً تستخدم حالياً مكشافاً

، وكلها تندرج تحت اسم وأيضاً ، من الممكن النظر إلى عدة تصاميم لألجهزة من هذا النوعspectrofluorometers ومنها ،:

التي ال تستخدم شعاع مرجعي spectrofluorometersهزة أج .1

وهذه تستخدم مصدراً لإلضاءة ، و أداة اختيار الطول الموجي الالزم لإلثارة )excitation monochromator ( وخلية مناسبة ، وأداة اختيار الطول الموجي ،


شاف ، إضافة إلى المك emission monochromator، أي ال ) الفلورة(المنبعث .أعاله يوضح مكونات الجهازوالرسم . photpmultiplier tubeالذي هو عادة ال

ويمكن لمثل هذا الجهاز أن يستخدم بداية لتحديد الطول الموجي المناسب لإلثارة والطول .الموجي المناسب لقياس شدة االنبعاث ، ومن ثم ضبط الجهاز ، والمباشرة بعملية القياس

)double beam( اًمرجعي اًالتي تستخدم شعاع spectrofluorometersأجهزة .2

باإلضافة للمكونات المذكورة في النوع السابق ، فإن هذا التصميم يأخذ بعين االعتبار ضرورة ويتم ذلك . تصحيح التذبذب في شدة الفلورة التي تنشأ نتيجة للتذبذب في شدة الشعاع الساقط

ن ، أحدهما يتوجه إلى العينة ، بينما يتوجه قسمة الشعاع الصادر عن المصدر إلى جزأيبأما اإلشارة التي يتم قياسها فتكون النسبة بين شدة الفلورة إلى . مكشاف مرجعي اآلخر إلى

وكما بينا سابقاً ، فإن هذه الطريقة في القياس تتغلب على مشكلة . شدة الشعاع المرجعي، بينما بالتأكيد ال تتغلب على مشكلة الشعاع الساقطالتغير في شدة التذبذب الذي قد يصاحب

:والشكل التالي يوضح مكونات الجهاز. تذبذب حساسية المكشاف ، إن وجدت


),optical fibers probe type instruments(أجهزة المسبار .3

، لنقل ) fiber optic probe(هذه األجهزة تجد اليوم تطبيقات متزايدة ، حيث يستخدم مسبار تنبعث الفلورة ويتم نقلها عبر ، ومن ثم حتى تتم عملية اإلثارة المصدر إلى العينةالشعاع من

والشكل التالي . ، بينما تبقى المكونات األخرى كما هي من العينة إلى المكشافالمسبار يوضح أحد التصاميم التي أنجزها الكاتب في ثمانينات القرن الماضي ، باستخدام

bifurcated fiber optic bundle:

بينما من الممكن أيضاً أن نرى تصاميم أخرى تستخدم كابالت منفصلة ، كما نرى في الشكل

:التالي


ذكرناها سابقاً ، ونعيد التأكيد إن مثل هذا النوع من األجهزة يجد تطبيقات متعددة وهامة للغاية :، ومنها عليها

ئ عن العينات التي ليس من ودراسة الوميض الناشيمكن استخدام ألياف بصرية طويلة .1مثالً قاع البحر ، أو مدخنة مرتفعة جداً لمصنع معين ، وما إلى ( السهل الوصول إليها

دون الحاجة إلى التوجه مراراً للحصول على ، لجمع النتائج بكل سهولة ويسر ) ذلك .العينات

ت وتغيرات األلياف البصرية لمراقبة تفاعال أجهزة الوميض التي تستخدم يمكن استخدام .2تحدث في أنظمة خطيرة ، كتحضير المتفجرات ، والمحاليل المشعة ، والعينات المعدية ،

.وغيرها ، دون الحاجة للتعرض المباشر ألخطارها

المواد الصلبة أو المعكرة ، وهو ما ال يمكن فعله الوميض الناشئ عن يمكن دراسة .3 :تقليديةباستخدام األجهزة ال

دقيق للغاية ، فإنه من الممكن تصنيع مجسات تستخدم optical fiberنظراً ألن ال .4، وقد تم أو الخاليا لمتابعة تغير تركيزات بعض المواد بشكل مستمر في جسم المريض

، لمراقبة تغير تركيز األكسجين اثناء عمليات القلب المفتوح optical fiberبالفعل تصنيع .)fluorescence quenching(ن حيث تقل الفلورة كلما زاد تركيز األكسجي

يمكن بسهولة تصنيع أجهزة محمولة ، تعطي نتائج ممتازة لقياس العينات في مكانها ، مثل .5 .، وما شابه ذلك العينات في األماكن األثرية

)fluorescence microscope(أجهزة قياس الفلورة باستخدام الميكروسكوب : ثالثاًلقياس الفلورة الناشئة عن العينات fluorescence microscopeيمكن استخدام ال

، وذلك من أجل التعرف على وجودها الميكروسكوبية ، كالبكتيريا والفيروسات وغيرهاالموجودة على شريحة ) بغض النظر عن طبيعتها(وفي تلك األجهزة تتم إثارة العينة . وكميتها

، ) ياره عادة باستخدام فلتريتم اخت(ميكروسكوبية باستخدام شعاع ذو طول موجي مناسب تمرر نصف ) dichroic mirror(عبر مرآة خاصة ) الفلورة(ومن ثم تنطلق األشعة المنبعثة

كما . الضوء تقريباً بينما تعكس النصف اآلخر ، حيث تستخدم العين في هذه الحالة كمكشافوالشكل . بيتم تسليط الضوء على العينة ، وتجميعه إلى العين عبر عدسات الميكروسكو

:التالي يوضح صورة مبسطة لمثل هذا الجهاز


:التجارية fluorescence microscopesكما يبين الشكل التالي أحد تصاميم ال


كيفية تحديد األطوال الموجية لإلثارة واالنبعاثي إال بداية ال بد من القول أن اإلثارة واالنبعاث هما عمليتان متعاكستان ، فعملية اإلثارة ما ه

انتقال االلكترون من الحالة األرضية األحادية إلى الحالة المثارة األحادية ، أما عملية االنبعاث صورة طيف اإلثارة ل مرآةلهذا من المفروض أن يكون طيف االنبعاث . فهي عكس ذلك تماماً

:تقريباً ، كما في الشكل

لبعض ، وذلك عادة ألسباب تتعلق لكن نادراً ما يكون االثنان صورة متطابقة عن بعضهما ا

.بعيوب في تصنيع الجهاز ، أو وجود شوائب لها خصائص مختلفة عن العينةالمناسب لقياس شدة الفلورة يعتبر الطول الموجيالطول الموجي المناسب لإلثارة وإن تحديد

ولألسف ، ال توجد خطوات موحدة . عمالً في غاية األهمية ، للحصول على نتائج جيدةريقة التالية ، التي أعتبرها من ومتفق عليها للحصول على تلك المعلومات ، لكني أقترح الط

وتتلخص الطريقة بداية بقياس طيف االمتصاص للمادة التي نرغب في . سط وأسرع الطرقأب، واعتبار الطول scanning UV-Vis spectrophotometerباستخدام جهاز دراستها

واستخدامه لضبط ال ، هو الطول الموجي الالزم لإلثارة) λmax( الموجي األعلى لالمتصاص excitation monochromatorومن ثم نستخدم ال . بصورة أوليةemission

monochromator لعمل مسح)scan ( من ذلك الطول الموجي 10+ ، ابتداء nm وحتىه نحدد قيمة الطول وبذلك نحصل على طيف االنبعاث ، ومن. نهاية منطقة الضوء المرئي

emissionنضبط ال بعد ذلك ).λem(الموجي الذي يعطي أعلى انبعاث


monochromator نقوم بعمل على الطول الموجي الذي تم تحديده من الخطوة السابقة ، ثمبداية منطقة من ، ابتداءexcitation monochromator باستخدام ال ) scan(مسح

وبذلك . nm 10مطروحاً منه ) λem(ذلك الطول الموجي الً إلى األشعة فوق البنفسجية ووصو ، )λex( إثارة ، ومنه نحدد قيمة الطول الموجي الذي يعطي أعلى ثارةنحصل على طيف اإل

.وبهذه الطريقة نحصل على كال الطولين الموجيين الالزمين للمباشرة بالعمل

)Phosphorescence instruments( األجهزة الخاصة بالفسفرةمن اًنادر اًنظراً ألن معظم التحاليل الكيميائية والبيولوجية تتم في المحاليل ، وحيث ان عدد

المركبات يمكن ان تعطي فسفرة في درجات الحرارة العادية ، وبالتالي قلة التطبيقات التي . ةيمكن أن تعتمد على هذه التقنية ، نجد أن الشركات عادة ال تقوم بتصنيع أجهزة الفسفر

لى ذلك أنه باالمكان استخدام جهاز قياس الفلورة بغرض قياس الفسفرة وذلك عبر إأضف جداً إذا ما قورن بزمن تعديل بسيط ، يقوم على أساس االستفادة من كون زمن الفسفرة طويالً

وتتم عملية التعديل من خالل بعض . الفلورة ، مما يسمح بعملية القياس ، عند تعديل الجهازات التي تسمح بسقوط الشعاع على العينة في الوقت الذي يكون الشعاع المنبعث المكون

وبعدها يتم حجب الشعاع الساقط ، فتنتهي الفلورة . اًمحجوب) حتوي على الفلورة والفسفرةي(ومن . ليتم قياسها ، ويتم عمل ذلك دورياً )ألن زمنها أطول( فوراً بينما تبقى الفسفرةوتدور تي تسمح لمثل هذه العملية بالحدوث ، وضع اسطوانة بها ثقب التعديالت البسيطة ال

بسرعة كبيرة ، فعندما يمر الشعاع من الثقب تحدث إثارة ، وبما أن االسطوانة تدور بسرعة ، لكن تبقى الفسفرة ، بمجرد حجب الشعاع نتيجة دوران االسطوانة ، تنتهي الفلورة فوراً

والمكشاف ، emission monochromatorلثقب ال بحيث يمكن قياسها عندما يواجه ا .والشكل التالي يبين ذلك ، وهكذا

كما يمكن التفكير ببساطة أكبر ، حيث يكفي وضع مقطع أشعة في طريق الشعاع الساقط على العينة وآخر في طريق الشعاع الخارج منها ، على أن يكون المقَطعان مرتبطان معاً

، فعندما يسمح المقطع للشعاع بالمرور يحدث إثارة للعينة ، )synchronized(ومتعاكسان لكن المكشاف ال يقرأ أي إشارة ، ألن المقطع الثاني يحجب الشعاع المنبعث ، ويمنعه من

. الوصول إلى المكشاف


لكن عندما يغلق المقطع األول ، فإن المقطع الثاني يفتح فيسمح للشعاع المنبعث بالمرور ،

. ه الحالة فسفرة فقط ، إذ أن كل الفلورة تنتهي بمجرد بدء دوران المقطعويكون في هذ :والشكل التالي يوضح المفهوم

تطبيقات الفلورة

كقياس شدة هناك العديد من التطبيقات التي تعتمد على قياس الفلورة ، ومنها ما هو مباشر ، ومنها أيضاً تقدير التراكيز الفلورة وتقدير التركيز ، حيث يتناسب التركيز مع شدة الفلورة

المختلفة لتعطي ligandsبشكل غير مباشر ، حيث تتفاعل بعض العناصر مع بعض ال مركبات تنبعث منها الفلورة بكفاءة ، وبالتالي فإن شدة الفلورة تتناسب مع تركيزات العناصر

ليعطي مركباً hydroxyquinoline-8فعلى سبيل المثال يتفاعل األلمنيوم مع ال . المعنية


ليعطي أيضاً مركباً متفلوراً benzoinتنبعث منه الفلورة بكفاءة ، وكذلك الزنك مع مركب ال .، يسمح بقياس تركيز األيون بشكل فعال

) fluorescence quenching(كما يمكن استخدام خاصية تقليل الفلورة لتعيين بعض المواد ود األكسجين والذرات الثقيلة مثل اليود والبروم ، ، فمثالً من المعروف أن الفلورة تقل في وج

.ومن الممكن استخدام النقص في شدة الفلورة لتقدير تركيزات تلك المواد ، أو ما شابههاكما توجد العديد من التطبيقات البيولوجية والطبية للفلورة ، حيث أمكن االستدالل على

حيث تتركز بعض المركبات (ام الليزر سرطان الجلد باستخدام الفاورة الناتجة عن استخدلتحديد حجم الجزيئات البيولوجية كما أمكن استخدام الفلورة ، ) المتفلورة في الخاليا السرطانية

، وكذلك التداخل فيما بينها ، وأمكن كذلك دراسة األنواع المختلفة من البكتيريا عن طريق تخدام هذه التقنية في التمييز بين لى ذلك اسإدراسة أطياف الوميض المنبعث منها ، أضف

قد تكون أداة تشخيصية جديدة الفلورةوتشير الدراسات إلى أن . الفطريات وتحديد سالالتهاتشخيص األجسام ل، والعدوى الفيروسية ، إضافة إلى استخدام الفلورة للكشف عن الفيروسات

، ) antibody-antigen interactions(، والتداخالت فيما بينها واالنتجيناتالمضادة .fluorescent probes وأيضاً استخدام ال

وتعتبر الفلورة من التقنيات الهامة التي من المحتمل أن يكون لها تطبيقات ممتازة في جوانب .متعددة ، ومجاالت متنوعة

)chemi- and bioluminescence(الوميض الكيميائي والبيولوجي

يكون هناك تفاعالً كيميائياً ينتج عنه كمية كافية من الطاقة ينشأ هذا النوع من الوميض عندماالمثار فوتون ءإلثارة االلكترون من الحالة األرضية إلى الحالة المثارة ، حيث يفقد الجزي

وفي الحقيقة نجد أن عدد التفاعالت . على هيئة وميض ، وذلك للعودة إلى الحالة األرضيةتعتبر محدودة ، وربما كانت هناك ) ضوء مرئي(مرئية المعروفة التي تعطي فوتونات وميضفي منطقة األشعة فوق البنفسجية أو تحت (غير مرئي اًالعديد من التفاعالت التي تعطي ضوء

:ومن الممكن تمثيل ما يحدث بما يلي). الحمراء

A + B g C* + D C* g C + hν


على (من ثم تفقد المادة المثارة فوتون ، و *Cلتنتج المادة المثارة Bمع Aحيث تتفاعل المادة وفي الحقيقة ، من الممكن أن تنتقل الطاقة من . لتنتقل إلى الحالة األرضية) صورة وميض

، فتحدث إثارة للمادة الجديدة ) إذا كانت الطاقة تسمح بذلك( Eالمادة المثارة إلى مادة أخرى ن ثم ينبعث فوتون على صورة إلى الحالة األرضية ، وم *E، ومن ثم تنتقل *Eلتصبح

عن المستوى Eوميض بطول موجي آخر ، يعبر عن الفرق في مستوى الطاقة المثار ل وتسمى هذه التقنية الوميض الكيميائي عن طريق انتقال الطاقة . األرضي

)chemiluminescence charge transfer (ويمكن تمثيل ذلك بما يلي ،:

A + B g C* C* + E g C + E* E* g E + hν وتمكننا هذه التقنية من التحكم بلون الوميض المنبعث ، وذلك باختيار الجزيء المناسب النتقال

.الطاقة ، كما أوضحنا

ومن الجدير بالذكر أن التفاعالت الكيميائية التي ينتج عنها وميض ، يمكن استخدامها عادة مع العلم أن . لمساعد إن وجدلتقدير أي مكون من مكونات التفاعل ، أو حتى العامل ا

أو أقل ، وتعتمد الحساسية M 15-10الحساسية التحليلية تكون عالية للغاية ، وقد تصل إلى . بشكل أساسي على حساسية المكشاف وثباته ، وهو ما يتحكم بحساسية التقنية

أمثلة على بعض التفاعالت الكيميائية التي تنتج وميضاً

الوميض الكيميائي: أوالً

أمثلة بيئية .1a( تقدير تركيز أول أكسيد النتروجين)NO(

يعتبر أول أكسيد النتروجين من الملوثات الهامة ، حيث تنتج كميات كبيرة منه تنبعث تلك الغازات من عوادم السيارات وآالت واحتراق الوقود ، نتيجة

وتقوم عملية التحليل على أساس تفاعل أول أكسيد . االحتراق األخرىإلى ثاني أكسيد أول أكسيد النتروجين ين مع األوزون ، حيث يتحولالنتروج


للعودة ) وميض(النتروجين المثار ، الذي بدوره يفقد طاقة على صورة فوتون :إلى الحالة األرضية ، وهو ما يمكن تمثيله بما يلي

NO + O3 → NO2* + O2

NO2* → NO2 + light

NOات منخفضة للغاية من ال ومن الجدير بالذكر أنه أمكن قياس تركيز . ppb 1تصل إلى

، الذي يعتبر أيضاً من NO2قياس تركيز ال ) بنفس الطريقة(كما يمكن أيضاً باستخدام الكربون فيتحول امة ، وذلك عن طريق اختزاله مسبقاًالملوثات اله

.كما سبق، NO، ومن ثم يتم تقدير ال NOإلى قدير األمونيا عن طريق األكسدة إلى أول كما أن هناك تقارير عن إمكانية ت

أكسيد النتروجين ، ومن ثم تقدير األخير باستخدام الوميض الناشئ عن تفاعله :مع األوزون

4NH3 + 5O2 g 4NO + 6H2O

4NO + 4O3 g 4NO2+4O2 + light

b( تقدير تركيز ثاني أكسيد الكبريت)SO2( هامة ، فهو أحد المركبات يعتبر ثاني أكسيد الكبريت أيضاً من الملوثات ال

، وينتج بكميات كبيرة نتيجة ) acid rain(المسئولة عن المطر الحمضي الحتراق الكبريت والمواد البترولية التي تحتوي على عنصر الكبريت ، مما

وتعتمد طريقة . طرق فعالة لتقدير تركيزه وأهمية تصميم ، يبرر االهتمام بهكسيد الكبريت على تفاعل احتراق الغاز في الوميض الكيميائي لتقدير ثاني أ

S2(وجود زيادة من غاز الهيدروجين ، حيث يتكون عنصر الكبريت المثار * (

.، والذي يعطي فوتون للعودة إلى الحالة األرضية

4 H2 + 2 SO2 g S2* + 4 H2O S2* g S2 + hν


أمثلة كيميائية وبيولوجية .2مع luminolلك الوميض الناشئ عن تفاعل ال من األمثلة الهامة للوميض الكيميائي ذ

Cu2+ or peroxidaseفي وسط قاعدي وفي وجود عامل مساعد مثل ال H2O2ال ، حيث ينشأ وميض أزرق قوي عن هذا التفاعل ، الذي يمكن استخدامه في تقدير

. H2O2تركيز ايون النحاس ، أو ال

Luminol + H2O2 + OH- g (3-aminophthalate)* + N2 + H2O (3-aminophthalate)* g 3-aminophthalate + hν

في الكائنات الحية كما يمكن استخدام التفاعل المذكور في تقدير العديد من المركبات )substrates ( حيث أنه من المعلوم أن اإلنزيمات من نوع ،oxidases ل ال وتح

substrates ال الخاصة بها إلى نواتج ، إضافة إلى تكونH2O2 الذي يمكن ، .luminolتعيينه عن طريق التفاعل مع ال

، في وجود ال gluconic acid + H2O2إلى glucoseفمثالً ، يتحول ال glucose oxidase كما ينشأ ال ،H2O2 عن الكولسترول في وجود الكولسترول

بيروفات أكسديز ، والالكتات في وجود الالكتات أكسديز ، والبيروفات في وجود الفي H2O2أكسديز ، والكحول واألحماض األمينية ، وغيرها كثير كلها تعطي ال

. الخاصة بها المؤكسدة وجود اإلنزيماتمعينة substrateليس هذا فحسب ، بل من الممكن استخدام أكثر من إنزيم إلجبار

يم ال فمثالً يمكن تحويل السكروز إلى جلوكوز باستخدام إنز. H2O2على انتاج ال invertase ومن ثم نحصل على ال ،H2O2 من الجلوكوز في وجود الجلوكوز

لذلك يبدو أن هذا النوع من التفاعالت له مزايا وتطبيقات هامة ، ال . أكسديز ، وهكذا


المناسب ، بالرغم من وجود مئات أو آالف النشرات واالهتمام زالت تفتقر إلى التقدير .العلمية حول الموضوع

لتعطي وميضاً H2O2أيضاً أنواع أخرى من التفاعالت التي تستخدم ال وهناك، حيث ينشأ عن التفاعل peroxyoxalateكيميائياً ، ومن أمثلة ذلك تفاعل ال

، الذي تنتقل طاقته إلى مركب يتفلور بسهولة dioxetaneمركب وسيط مثار هو ال .اص بالمركب المتفلور، وعندها نحصل على الوميض الكيميائي ، بطول موجي خ

:وفيما يلي توضيح ذلك

-bis(2,4,6:استخداماً هو مركب ال peroxyoxalateمع العلم أن أكثر ال

trichlorophenyl) oxalate or TCPO

وهو مركب ممتاز لكنه لألسف ال يذوب في المحاليل المائية ، مما يستلزم بعض

bis(2,4-dinitrorophenyl)خدام ال ، كما تم است التعديالت على طريقة العملoxalate or DNPO. وهناك مشتقاتoxalate ، أخرى ، تتصرف بنفس الطريقة

:ومنها


ية ، وفي وجود اعدفي المحاليل الق H2O2مع ال lucigininأيضاً ، هناك تفاعل ال

يذوب في أيضاً ال lucigininإال أن ال ). Co(II)غالباً يتم استخدام ال (عامل مساعد :وفيما يلي توضيح للعملية. الماء ، مما يفرض قيوداً على استخدامه بحرية

)bioluminescence(الوميض البيولوجي : ثانياًأغلب المقاالت العلمية حول هذا الموضوع تعرف الوميض البيولوجي على أنه الوميض

، )اًيجولويب اهجاتنا متي لعافتلا تانوكم عيمج( الناشئ عن تفاعل بيولوجي في الكائنات الحية :يلي امب كلذ ليثمت نكميو .بشتى أنواعها

ATP + luciferin + O2 g products + light وتتبع حركتها في الخاليا المختلفة ، وعبر ATPوعليه يمكن استخدام التفاعل لتقدير كمية ال

.األغشيةفي وجود luciferinيطلق عليه االسم العام substrateوالتفاعل الحاصل عادة يكون ل

:ما يلي luciferinsة ال ، ومن أمثل luciferaseإنزيم عام يطلق عليه


Latia luciferin

firefly luciferin

Bacterial luciferin

Coelenterazine luciferin

:أما آلية التفاعل فتتم بالصورة التالية

في الحياة اليومية ، في عدد من الحشرات ، مثل ال bioluminescenceوتظهر خاصية ال Firefly:


واألخطبوط ، والثعابين ، وأصناف متعددة من jellyfishئنات البحرية ، كال والعديد من الكا . األسماك ، التي تستوطن مياه المحيطات العميقة ، حيث الظالم الدامس

األجهزة المستخدمة في قياس الوميض

تعتبر األجهزة التي تستخدم لقياس الوميض من أبسط أنواع األجهزة ، إذ ال يتطلب الجهاز أي أدوات لتحديد األطوال الموجية ، بل جوهر الجهاز إنما هو المكشاف ور إضاءة ، أمصد

.الثابت والحساس للغاية


أما سعر الجهاز فيعتمد على حساسية وثبات المكشاف ، الذي هو بالضرورة photomultiplier tube وقد يكون سعر الجهاز الجيد مرتفعاً ، وذلك بشكل أساسي لطبيعة ،

لما يقترب من الصفر ، بالرغم من الحساسية dark currentاف وآليات تقليل ال المكش ىلع زاهجلا يوتحي نأ نكمملا نم هنأ امك .العالية ، وهي معادلة صعبة التحقيق

monochromator نم ديزي ام وهو ، ثاعبنالا فيط ديدحتو ةفرعم هنم ضرغلا ناك اذإ .زاهجلا رعس

ﻊﺴﺎﺘﻟﺍ لﺼﻔﻟﺍ ﻲﺌﻴﺯﺠﻟﺍ...

Documents

Transcript of ﻊﺴﺎﺘﻟﺍ لﺼﻔﻟﺍ ﻲﺌﻴﺯﺠﻟﺍ...