Κατανόηση του Φθορισμού:Ορισμός, Μηχανισμός &Εφαρμογές

Ο φθορισμός είναι φωτοφωταύγεια όπου τα άτομα απορροφούν φως και εκπέμπουν γρήγορα φωτόνια με μεγαλύτερο μήκος κύματος.

Φθορισμός είναι ένα φαινόμενο όπου ορισμένα υλικά εκπέμπουν γρήγορα (περίπου 10-8 δευτερόλεπτα) φως όταν εκτίθενται σε συγκεκριμένους τύπους ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας, συνήθως υπεριώδες (UV) φως. Φθορίζον υλικά είναι εκείνα που μπορούν να εμφανίσουν αυτό το χαρακτηριστικό. Σε επιστημονικό επίπεδο, ο φθορισμός μπορεί να οριστεί ως η απορρόφηση ενός φωτονίου από ένα άτομο ή μόριο, το οποίο ανεβάζει το ενεργειακό του επίπεδο σε διεγερμένη κατάσταση, ακολουθούμενο από την εκπομπή ενός φωτονίου χαμηλότερης ενέργειας καθώς το άτομο ή το μόριο επιστρέφει στην αρχική του κατάσταση. Η κατανόηση του φθορισμού είναι σημαντική για διάφορες εφαρμογές που κυμαίνονται από ιατρική απεικόνιση και διαγνωστικά έως ενεργειακά αποδοτικό φωτισμό και περιβαλλοντική παρακολούθηση.

Παραδείγματα φθοριζόντων υλικών

Ο φθορισμός είναι συχνό φαινόμενο στον φυσικό κόσμο, καθώς και σε προϊόντα καθημερινής χρήσης. Ακολουθούν μερικά παραδείγματα φθοριζόντων υλικών:

1. Η χλωροφύλλη, η φωτοσυνθετική χρωστική ουσία στα φυτά και τα φύκια, έχει τον μέγιστο φθορισμό της στο κόκκινο τμήμα του φάσματος.
2. Πολλά ορυκτά φθορίζουν υπό το φως υπεριώδους ακτινοβολίας, συμπεριλαμβανομένων ορισμένων τύπων φθορίτη, διαμαντιών, ασβεστίτη, κεχριμπαριού, ρουμπίνων και σμαραγδιών.
3. Μερικά είδη κοραλλιών περιέχουν φθορίζουσες πρωτεΐνες, οι οποίες τα βοηθούν να απορροφούν και να χρησιμοποιούν το ηλιακό φως που χρησιμοποιείται για τη φωτοσύνθεση.
4. Η πράσινη φθορίζουσα πρωτεΐνη (GFP) ανακαλύφθηκε για πρώτη φορά στις μέδουσες Aequorea victoria και χρησιμοποιείται πλέον ευρέως στην έρευνα.
5. Το πετρέλαιο φθορίζει σε χρώματα που κυμαίνονται από θαμπό καφέ έως έντονο κίτρινο έως μπλε-λευκό.
6. Το τονωτικό νερό φθορίζει λόγω της παρουσίας κινίνης.
7. Τα τραπεζογραμμάτια και τα γραμματόσημα χρησιμοποιούν φθορίζοντα μελάνια για ασφάλεια.
8. Μερικοί φθορίζοντες δείκτες και highlighters λάμπουν κάτω από μαύρο φως, συνήθως λόγω της παρουσίας πυρανίνης.
9. Οι λαμπτήρες φθορισμού είναι γυάλινοι σωλήνες που είναι επικαλυμμένοι με ένα φθορίζον υλικό (φώσφορο) που απορροφά το υπεριώδες φως από έναν σωλήνα ατμού υδραργύρου και εκπέμπει ορατό φως.
10. Το απορρυπαντικό ρούχων και το χαρτί περιέχουν συχνά φθορίζοντα λαμπρυντικά που απελευθερώνουν μπλε φως. Αυτό εξουδετερώνει το κιτρίνισμα ή τη θαμπάδα που εμφανίζεται με την πάροδο του χρόνου.

Ιστορικό

Η ανακάλυψη του φθορισμού χρονολογείται από το 1560 όταν ο Ιταλός ορυκτολόγος Bernardino de Sahagún παρατήρησε το φαινόμενο σε μια έγχυση που ονομάζεται lignum nephriticum . Lignum nephriticum προέρχεται από το ξύλο των δέντρων που περιέχουν την ένωση matlaline, η οποία έχει ένα φθορίζον προϊόν οξείδωσης. Ο όρος «φθορισμός» επινοήθηκε το 1852 από τον Βρετανό επιστήμονα Sir George Stokes επινόησε τον όρο «φθορισμός» το 1852. Ο Stokes παρατήρησε και μελέτησε την εκπομπή φωτός από φθορίτη και γυαλί ουρανίου υπό την υπεριώδη ακτινοβολία.

Πώς λειτουργεί ο φθορισμός

Ο φθορισμός εμφανίζεται όταν ένα υλικό απορροφά ένα φωτόνιο και μεταβαίνει από τη θεμελιώδη του κατάσταση σε μια διεγερμένη κατάσταση. Μετά από μια σύντομη περίοδο, που ονομάζεται διάρκεια ζωής φθορισμού, το υλικό επιστρέφει στη βασική του κατάσταση, εκπέμποντας ένα φωτόνιο με χαμηλότερη ενέργεια στη διαδικασία. Η εκπομπή φωτονίων δεν προκαλεί αλλαγή στο σπιν ηλεκτρονίων (κάτι που προκαλεί στον φωσφορισμό). Η διαφορά ενέργειας μεταξύ των απορροφούμενων και των εκπεμπόμενων φωτονίων αντιστοιχεί στην ενέργεια που χάνεται κατά τη διεγερμένη κατάσταση, συχνά ως θερμότητα.

Αυτή η διαδικασία πραγματοποιείται σε βήματα:

1. Απορρόφηση :Ένα άτομο ή μόριο απορροφά ένα εισερχόμενο φωτόνιο. Συνήθως, αυτό είναι ορατό ή υπεριώδες φως, επειδή οι ακτίνες Χ και άλλες ενεργειακές ακτινοβολίες είναι πιο πιθανό να σπάσουν τους χημικούς δεσμούς παρά να απορροφηθούν.
2. Διέγερση :Τα φωτόνια ενισχύουν τα άτομα ή τα μόρια σε ένα υψηλότερο επίπεδο ενέργειας, το οποίο ονομάζεται διεγερμένη κατάσταση.
3. Excited State Lifetime :Τα μόρια δεν μένουν διεγερμένα για πολύ. Αρχίζουν αμέσως να αποσυντίθενται από τη διεγερμένη κατάσταση προς μια κατάσταση χαλάρωσης. Ωστόσο, μπορεί να υπάρξουν μικρότερες πτώσεις ενέργειας από τη διεγερμένη κατάσταση που ονομάζονται μη ακτινοβολούμενες μεταβάσεις .
4. Εκπομπή :Το μόριο πέφτει σε μια από τις βασικές καταστάσεις, εκπέμποντας ένα φωτόνιο. Το φωτόνιο έχει μεγαλύτερο μήκος κύματος (λιγότερη ενέργεια) από το απορροφούμενο φωτόνιο.

Ένα διάγραμμα Jablonski απεικονίζει αυτές τις διεργασίες ως ένα γράφημα που δείχνει την απορρόφηση και την εκπομπή ενέργειας για καταστάσεις διεγερμένης (S1) και απλής γείωσης (S0).

Κανόνες

Τρεις χρήσιμοι κανόνες στον φθορισμό είναι ο κανόνας του Kasha, η μετατόπιση Stokes και ο κανόνας εικόνας καθρέφτη:

1. Ο κανόνας του Kasha :Αυτός ο κανόνας δηλώνει ότι η κβαντική απόδοση της φωταύγειας δεν εξαρτάται από το μήκος κύματος του απορροφούμενου φωτός. Με άλλα λόγια, το φάσμα φθορισμού είναι το ίδιο ανεξάρτητα από το χρώμα του προσπίπτοντος φωτός. Ωστόσο, τα απλά μόρια συχνά παραβιάζουν αυτόν τον κανόνα.
2. Stokes Shift :Τα εκπεμπόμενα φωτόνια έχουν μεγαλύτερο μήκος κύματος από το απορροφούμενο φως. Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι υπάρχει απώλεια ενέργειας, συνήθως λόγω αποσύνθεσης χωρίς ακτινοβολία ή λόγω πτώσης ενός φθοροφόρου σε υψηλότερο επίπεδο δόνησης της βασικής κατάστασης.
3. Κανόνας κατοπτρικής εικόνας :Για πολλά φθοροφόρα, τα φάσματα απορρόφησης και εκπομπής είναι κατοπτρικά είδωλα το ένα του άλλου, αντανακλώντας τη σχέση μεταξύ των ηλεκτρονικών και δονήσεων μετάβασης κατά τη διάρκεια των διαδικασιών απορρόφησης και εκπομπής.

Εφαρμογές

Στη φύση, οι οργανισμοί χρησιμοποιούν φθορισμό για επικοινωνία, έλξη συντρόφου, δελεασμό θηραμάτων, καμουφλάζ και προστασία από την υπεριώδη ακτινοβολία. Ο φθορισμός έχει πολυάριθμες πρακτικές, εμπορικές και ερευνητικές εφαρμογές:

1. Ιατρική Απεικόνιση και Διαγνωστικά :Οι φθορίζουσες βαφές και οι πρωτεΐνες βοηθούν τους ερευνητές να οπτικοποιήσουν συγκεκριμένες δομές και διαδικασίες μέσα στα ζωντανά κύτταρα και τους ιστούς.
2. Ενεργειακά αποδοτικός φωτισμός :Οι λαμπτήρες φθορισμού και οι λυχνίες LED είναι πιο ενεργειακά αποδοτικοί σε σύγκριση με τους παραδοσιακούς λαμπτήρες πυρακτώσεως λόγω της ικανότητάς τους να μετατρέπουν περισσότερη ενέργεια εισόδου σε ορατό φως.
3. Περιβαλλοντική Παρακολούθηση :Οι αισθητήρες φθορισμού ανιχνεύουν ρύπους ή ρύπους σε δείγματα αέρα, νερού και εδάφους.
4. Ιατροδικαστική :Τα φθορίζοντα υλικά ανιχνεύουν δακτυλικά αποτυπώματα, βιολογικά δείγματα ή πλαστά νομίσματα.
5. Εργαλεία έρευνας :Οι φθορίζοντες δείκτες και οι ετικέτες είναι απαραίτητες στη μοριακή και κυτταρική βιολογία για παρακολούθηση και παρακολούθηση

Φθορισμός έναντι φωσφορισμού

Τόσο ο φθορισμός όσο και ο φωσφορισμός είναι μορφές φωτοφωταύγειας. Ενώ ο φθορισμός εμφανίζεται αμέσως, ο φωσφορισμός απελευθερώνει το φως πιο αργά, έτσι ώστε τα φωσφορίζοντα υλικά συχνά να λάμπουν στο σκοτάδι για δευτερόλεπτα έως ώρες.

• Φθορισμός :Ένα υλικό απορροφά ένα φωτόνιο, μεταβαίνει σε διεγερμένη κατάσταση και στη συνέχεια επιστρέφει γρήγορα στη βασική του κατάσταση, εκπέμποντας ένα φωτόνιο χαμηλότερης ενέργειας στη διαδικασία. Το εκπεμπόμενο φως σταματά σχεδόν αμέσως μετά την αφαίρεση της πηγής διέγερσης, με τη διάρκεια ζωής του φθορισμού να κυμαίνεται συνήθως από νανοδευτερόλεπτα έως μικροδευτερόλεπτα.
• Φωσφορισμός :Στον φωσφορισμό, η απορροφούμενη ενέργεια προκαλεί τη μετάβαση του ηλεκτρονίου σε μια μετασταθερή κατάσταση με διαφορετική πολλαπλότητα σπιν, γνωστή ως τριπλή κατάσταση. Η μετάβαση πίσω στη βασική κατάσταση είναι απαγορευμένη από το σπιν, πράγμα που σημαίνει ότι χρειάζεται περισσότερος χρόνος για να επιστρέψει το ηλεκτρόνιο στην αρχική του κατάσταση. Ως αποτέλεσμα, ο φωσφορισμός διαρκεί από χιλιοστά του δευτερολέπτου έως ώρες μετά την αφαίρεση της πηγής διέγερσης.

Διαφορά μεταξύ φθορισμού και βιοφωταύγειας

Τόσο ο φθορισμός όσο και η βιοφωταύγεια εκπέμπουν φως, αλλά διαφέρουν ως προς τη διάρκεια και τον μηχανισμό.

• Φθορισμός :Ο φθορισμός είναι ένας τύπος φωτοφωταύγειας. Είναι μια φυσική διαδικασία όπου ένα υλικό εκπέμπει φως αφού απορροφήσει ενέργεια από μια εξωτερική πηγή. Η εκπομπή φωτός είναι σχεδόν άμεση και δεν συνεχίζεται μόλις αφαιρέσετε την πηγή ενέργειας.
• Βιοφωταύγεια :Αντίθετα, η βιοφωταύγεια είναι μια μορφή χημειοφωταύγειας που εμφανίζεται σε ζωντανούς οργανισμούς. Περιλαμβάνει την παραγωγή και εκπομπή φωτός ως αποτέλεσμα μιας χημικής αντίδρασης. Η αντίδραση τυπικά περιλαμβάνει ένα υπόστρωμα (π.χ. λουσιφερίνη) και ένα ένζυμο (π.χ. λουσιφεράση) που καταλύει την οξείδωση του υποστρώματος, απελευθερώνοντας ενέργεια με τη μορφή φωτός. Η βιοφωταύγεια δεν απαιτεί εξωτερικές πηγές ενέργειας όπως το υπεριώδες φως. Απελευθερώνει φως όσο συνεχίζεται η αντίδραση. Αυτή η διαδικασία εμφανίζεται σε διάφορους οργανισμούς, συμπεριλαμβανομένων των πυγολαμπίδων, ορισμένων θαλάσσιων πλασμάτων και ορισμένων μυκήτων.

Αναφορές

• Harris, Daniel C. (2004). Εξερευνώντας τη Χημική Ανάλυση . Μακμίλαν. ISBN 978-0-7167-0571-0.
• Stokes, G.G. (1852). «Σχετικά με την αλλαγή της θραυσσιμότητας του φωτός». Philosophical Transactions of the Royal Society of London . 142:463–562, esp. 479. doi:10.1098/rstl.1852.0022
• Tsien, R. Y. (1998). «Η Πράσινη Φθορίζουσα Πρωτεΐνη». Ετήσια Επιθεώρηση Βιοχημείας . 67:509–544. doi:10.1146/annurev.biochem.67.1.509
• Valeur, B.; Μπερμπεράν-Σάντος, M.R.N. (2011). «Μια σύντομη ιστορία του φθορισμού και του φωσφορισμού πριν από την εμφάνιση της κβαντικής θεωρίας». Journal of Chemical Education . 88 (6):731–738. doi:10.1021/ed100182h