Moleküler Floresans Spektroskopisi – Kavramlar

MOLEKÜLER FLORESANS SPEKTROSKOPİSİ

 

1. Spektroskopi

Spektroskopi, bir örnekteki atom, molekül veya iyonların, bir enerji düzeyinden diğerine geçişleri sırasında absorplanan veya yayılan elektromanyetik ışımanın ölçülmesi ve yorumlanmasıdır.

Elektromanyetik ışıma, uzayda çok büyük hızla hareket eden bir enerji türüdür. Elektromanyetik ışımanın en çok karşılaşılan türleri, gözle algıladığımız görünür ışık ve ısı şeklinde algıladığımız infrared ışınlarıdır.

Elektromanyetik ışıma, hem dalga hem tanecik özelliğine sahiptir. İnterferans (girişim) ve difraksiyon (kırınım) davranışları dalga özelliğiyle açıklanır. Bir metal yüzeyinden ışıma ile elektronların koparılması (fotoelektrik olay), ışıma enerjisinin bir madde tarafından absorpsiyonu (soğurulması) ve emisyonu (yayılması) olayları ışımanın tanecik özelliği (foton) ile açıklanır.

Spektroskopi, analitik kimyada, moleküler biyolojide ve biyomühendislikte maddelerin ışık aracılığı ile tanımlanmaları amacıyla kullanılmaktadır. Tarihsel olarak sadece görünür ışık kullanılırken, günümüzde yeni yöntemler de kullanılmaktadır. Spektroskopik analiz yöntemlerinde örnek üzerine bir uyarıcı tanecik gönderilir ve örneğin bu uyarıcı taneciğe (elektron, nötron, proton, atom, molekül, gibi) karşı davranışı ölçülür. Bunlar dışında, elektromanyetik olan ve olmayan ışınım da kullanılmaktadır (mikrodalgalar, radyo dalgaları, X ışınları, vs. gibi).

Beyaz ışık bir yarıktan geçirildikten sonra, bir cam prizmadan geçirilince, karşısındaki ekranda parlak renkler dizilir. Bu renkli şeride tayf (spektrum) denir. Beyaz ışığın spektrumunda sırası ile şu renkler dizilir; mor, lacivert, mavi, yeşil, sarı, turuncu ve kırmızı. Her rengin dalga boyu başka olup, bunların dalga boyları angstron denilen, uzunluk birimi ile ifade edilir. Bir angstron, bir milimetrenin on milyonda biridir. Dalga boyları 4000 ilâ 8000 angstron arasında bulunan ışınlar ışık hâlinde görülebilir.

2. Moleküler Floresans Spektroskopisi ile İlgili Bazı Kavramlar

2.1. Floresans ve Fosforesans

Floresans maddeler denilen bir takım cisimler üzerine gelen belli dalga boyundaki ışık ışınlarının, başka dalga boyundaki ışık ışınları halinde yansıması olayı. Floresans ve fosforesans olayları lüminesans olaylarındandır. Floresans maddelere örnek olarak çinko silikat, çinko berilyum silikat, kadmiyum silikat, kadmiyum borat, magnezyum volframat ve kadmiyum volframat bileşikleri verilebilir.

Dalga boylarının değişmesi, ışık ışınları kesildikten sonra da sürerse, bu olaya fosforesans denir. Yani ışık ile etkileşim sonrası ışık yayınımı kısa süreli ise floresans, uzun ise fosforesanstır. Fosforesans maddelerin kullanıldığı alanlara örnek olarak fosforlu saatler verilebilir. Ayrıca lamba anahtarları da uzun süreli çalıştıktan sonra kapattığımızda ışık yayarlar. Bu da fosforesansa çok güzel bir örnektir.

Bazı maddelerin çözeltileri UV veya GB ışınlarla uyarılınca bunları absorbe ederek uyarılmış hale geçerler. Işınlama kesilince uyarılmış halden temel hale dönerken ışın yayımlarlar. Işıma yapan madde tarafından yayımlanan ışın absorblanan ışından daha düşük enerjili olduğundan daha uzun dalga boyuna sahiptir. Işınlama kesildikten sonra maddenin yayımladığı ışın kısa ömürlü ise (10-9-10-8 sn) olay floresans, uzun ömürlü ise (10-4 sn <) olay fosforesans olur.

Uyarılmalar aşağıdaki gibi olur.

Temel Singlet Hal→Uyarılmış Singlet Hal→Floresans

Temel Singlet Hal→Uyarılmış Singlet Hal→Uyarılmış Triplet Hal→Fosforesans

Fosforesansta ışın yayımlamanın uzun sürmesinin nedeni spin farklılıklarından kaynaklanan diamanyetik ve paramanyetik özelliklerdir.

2.2. Elektron Spini

Pauli dışarlama prensibi, bir atomdaki iki elektron için dört kuantum sayısının hepsinin birden aynı olamayacağını belirtir. Bu sınırlama, bir orbitalde iki elektrondan daha fazla elektron bulunmamasını ve ayrıca iki elektronun da zıt spinli olmasını gerektirir. Bu şartlar altında, spinler eşleşmiştir. Spin eşleşmesi sebebiyle, moleküllerin çoğu net manyetik alan göstermez ve bu yüzden diamanyetik olarak adlandırılır. Yani bunlar, durgun manyetik alan tarafından ne çekilir ne de itilirler. Buna karşılık, eşleşmemiş elektronlar içeren serbest radikallerin bir manyetik momenti vardır ve bunun sonucu olarak bir manyetik alan tarafından çekilir. Bu yüzden serbest radikaller paramanyetik olarak adlandırılır.

Bütün elektron spinlerinin eşleşmiş olduğu bir moleküler elektronik hal; bir singlet hal olarak adlandırılır ve molekül bir manyetik alana maruz bırakıldığında elektronik enerji seviyelerinde hiçbir yarılma meydana gelmez. Diğer taraftan, bir serbest radikal için temel hal bir dublet halidir. Çünkü tek elektronun bir manyetik alan içinde, sisteme çok az farklı enerjilerde katkı yapan iki yönlenmeye sahip olduğu kabul edilebilir.

Bir molekülün bir çift elektronundan biri daha yüksek bir enerji seviyesine uyarılırsa ya bir singlet ya da bir triplet hal meydana gelir. Uyarılmış singlet halde, uyarılmış elektronun spini hala temel haldeki elektron ile eşleşmiş durumda, bununla beraber, triplet halde, iki elektronun spinleri eşleşmemiş durumda ve böylece paralel durumdadırlar.

 

Şekil 1:  Singlet uyarılmış hal ve triplet uyarılmış hal

Uyarılmış triplet haldeki bir molekülün özellikleri, uyarılmış singlet halindekinden önemli derecede farklıdır. Örneğin, bir molekül triplet halde paramanyetik iken, singlet halde diamanyetiktir. Bununla beraber, daha da önemlisi, elektronun halindeki bir değişmeyi de kapsayan, singlet triplet geçişinin, karşı gelen, singlet singlet geçişine göre önemli derecede daha az mümkün olması gerçeğidir. Bunun sonucu olarak uyarılmış triplet halinin ortalama ömrü 10-4s den birkaç saniyeye kadar uzayabilir. Bir uyarılmış singlet halin ortalama ömrü ise 10-5 10-8s kadardır. Ayrıca, temel haldeki bir molekülün ışınla, bir uyarılmış triplet hale uyarılması, düşük olasılığa sahiptir ve bu işlem sonucu oluşan absorpsiyon piklerinin şiddeti, benzer şekilde singlet-singlet geçişine karşı gelenlerinkinden bir kaç kat ondalık mertebesi daha düşüktür. Bazı moleküllerin, bir uyarılmış singlet halinden bir uyarılmış triplet “hale geçebilmesiyle fosforesans oluşur.    

Aşağıdaki şekilde bir fotolüminesans molekülünün kısmi bir enerji seviyesi diyagramı görülmektedir. En alttaki koyu yatay çizgi, normal olarak singlet haldeki molekülün temel hal enerjisini göstermekte olup, S0 ile gösterilmiştir. Oda sıcaklığında, bu hal, bir çözeltideki moleküllerin hemen hemen tamamının enerjisini gösterir. En üstteki koyu çizgiler, üç uyarılmış elektronik halin temel titreşim halleri için enerji seviyelerini göstermektedir. Soldaki iki çizgi, birinci (S1) ve ikinci (S2) elektronik singlet hallerini gösterir. Sağdaki tek çizgi (T1) birinci elektronik triplet halinin enerjisini gösterir. Normal olarak, birinci uyarılmış triplet halin enerjisi, karşı gelen singlet halin enerjisinden daha düşüktür.

 

Şekil 2: Temel ve Uyarılmış Haller

Daha ince yatay çizgilerle gösterilen çok sayıdaki titreşim enerji seviyesi, dört elektronik halin her biri ile ilişkilidir. Bu molekülün uyarılması, biri uzun dalga boyunda (So→S1) ve ikincisi de daha kısa dalga boyu) (So→S2) civarında merkezlenmiş iki ışın bandın absorpsiyonu ile meydana gelebilir. Uyarılma işleminin, molekülün çok sayıda uyarılmış titreşim halinden herhangi birine dönüşü ile sonuçlandığına dikkat ediniz. Triplet hale doğrudan uyarılma da gösterilmemiştir. Çünkü bu işlem, multiplisitede bir değişmeyi gerektirir ve önceden de bahsedildiği gibi bu geçişin olma olasılığı düşüktür bu tip düşük olasılıkla bir geçişe yasaklanmış denir.

2.3. Stokes Kayması

Stokes kayması; aynı elektronik geçişin, emisyon (yayma) ve absopsiyon (soğurma) eğrilerinin maksimumlarının arasındaki (dalgaboyu veya frekans) farkı olarak tanımlanır.

 

Şekil 3: Stokes Kayması

Bir sistem düşünelim (molekül veya atom) bu kuantum sistemi bir foton soğurduğunda enerji kazanarak uyarılmış duruma geçer. Ancak sistem kararlı hale gelmek için foton yayarak yani ışıma yaparak enerjiyi vermesidir. Yayılan bu fotonun enerjisi soğrulan fotonun enerjisinden daha az bir enerjiye sahiptir. Bu enerji farkı Stokes Kayması (Stokes Shift) olarak adlandırılır. Eğer yayınlanan fotonun enerjisi başlangıçta soğrulan fotonun enerjisinden daha fazla ise bu olay Anti-Stokes Kayması olarak adlandırılır. Açığa çıkan bu ekstra enerji kristalin enerji kaybederek (soğuma sürecinde) kristal örgüsündeki fotonların etkileşmelerinden kaynaklanır.

2.4. Kuantum Verimi

Floresans veya fosforesans için kuantum verimi veya kuantum verimi oranı basit olarak lüminesans yapan moleküllerin sayısının toplam uyarılmış molekül sayısına oranıdır. Floresein gibi oldukça floresans bir molekül için bazı şartlar altındaki kuantum verimi bire yaklaşır. Önemli derecede, floresans yapmayan kimyasal türler sıfıra yakın verimlere sahiptir.

2.5. Gözlenebilme Sınırı

Lüminesans yöntemlerinin en cezbedici özelliklerinden birisi, absorpsiyon spektroskopide karşılaşılan bir ile üç ondalık mertebesinden daha küçük gözlenebilme sınırlan sağlayan kendilerine özgü duyarlıklarıdır. Pik gözlenebilme sınırları milyarda bir (ppb) mertebesindedir. Fotolüminesans yöntemlerin diğer bir üstünlüğü, onların geniş doğrusal derişim aralığı olup, bu da genellikle absorpsiyon yöntemleriyle karşılaşılanlardan önemli derecede daha büyüktür. Yüksek duyarlıkları sebebiyle, kantitatif lüminesans yöntemleri, sıklıkla numune matriksinden kaynaklanan ciddi girişim etkilerine maruz kalırlar. Bu sebepten dolayı, lüminesans ölçmeleri genellikle çok iyi kromatografik ve elektroforez ayırma teknikleri ile birlikte kullanılır. Floresans dedektörler, sıvı kromatografi ve kapiler elektroforez için dedektör olarak, fevkalade duyarlıkları sebebiyle, özellikle değerlidir.

Genel olarak, lüminesans yöntemleri, kantitatif analizde absorpsiyon yöntemlerinden daha az uygulanır. Çünkü ultraviyole/görünür ışını absorplayan türler, spektrumun bu bölgesinde ışının absorpsiyonu sonucu oluşan fotolüminesans gösterenlerden çok daha fazladır.

Sitedeki Diğer İlgili Sayfalar

Floresans ve Fosferasansı Etkileyen Etmenler

Moleküler Floresans Spektroskopisi

Uygulama Alanları

Moleküler Floresans Spektroskopisi Cihazı

Moleküler Floresansla ilgili videolar için Cihazlar – Teknikler sayfasına bakın

Kaynaklar Lütfen Login yada Register gizli linkleri görebilmek için


Rıdvan

Yıldız Teknik Üniversitesi’nde Doktora yapmakta.

Bir Cevap Yazın

E-posta hesabınız yayımlanmayacak. Gerekli alanlar * ile işaretlenmişlerdir

Göztepe Escort