1. نکات عملی روش لومینسانس
زهرا محمدپور، محسن سروری

2. روشهای نوین شناسایی نانوساختارها
روشهای طیف سنجی نوری 2

3. فرایند لومینسانس
لومینسانس فرآیندی است که در آن ماده از حالت برانگیخته به حالت پایه آمده و انرژی خود را به صورت تابش آزاد می‌کند.

4. فرایند لومینسانس
در شیمی بیشتر به فرآیندهای فوتولومینسانس (فلورسانس و فسفرسانس) و همچنین فرآیندهای شیمی‌لومینسانس (Chemiluminescence) اهمیت داده می‌شود.
اندازه گیری لومینسانس تابش یافته از ماده می‌تواند منجر به کسب اطلاعات تجزیه‌ای از کل سامانه گردد.
برای این منظور طیف‌سنج‌های (Spectrometers) لومینسانس طراحی و به کارگرفته می‌شوند.

5. فرایند لومینسانس
امروزه طراحی اسپکترومترهای مبتنی بر لومینسانس به نحوی انجام می شود که...
دستگاه قابلیت کاربرد در زمینه فلورسانس، فسفرسانس و شیمی لومینسانس را دارا باشد.
این دستگاه ها تطبیق پذیر و قابل اعتماد بوده و کاربردهای وسیع در تجزیه های زیستی (Bioanalytical Applications) دارند.

6. فرایند لومینسانس
هرچند تقریباً تمامی گونه‌ها، نور را در فرکانس‌(های) خاصی جذب می‌کنند، تنها گونه های خاصی توانایی نشر لومینسانس را دارند.
ترکیبات لومینسانس دهنده، برخی گونه‌های مولکولی و دسته‌های خاصی از نانومواد را شامل می شود.

7. فرایند لومینسانس
موارد استفاده فرآیند تابش لومینسانس در ترکیبات لومینسانس دهنده:
جهت بررسی سیستم
جهت اندازه گیری غلظت
این ترکیبات در بسیاری از موارد به عنوان نشانه (Label) جهت نشان دار کردن مولکول‌ها یا ذرات شیمیایی دیگر به کار می‌روند.
با این روش می‌توان بسیاری از سامانه‌هایی را که به طور عادی در لومینسانس غیرفعالند، مورد مطالعه و کاربرد قرار داد.

8. طراحی دستگاه های لومینسانس (Luminescence Instrumentation)
طراحی طیف‌سنج‌ها (Spectrometers) و فوتومترهای لومینسانس (Luminescence Photometers) بر اساس...
توان تابشی بسیار پایینی است.
توان تابش، توسط آشکارساز (Detector) دیده می شود (معمولاً به اندازه پیکووات یا کمتر).
توان تابشی عبوری در اندازه گیری های مبتنی بر جذب ملکولی (Molecular Absorption Spectroscopy) در گستره 1 تا 1000 نانو وات می باشد.
سیگنال لومینسانس مربوط به آنالیت مورد نظر باید از سیگنال زمینه (Background)، سیگنال تاریک و نوفه (Noise) تشخیص داده شود.

9. طراحی دستگاه های لومینسانس (Luminescence Instrumentation)
اجزای اصلی برای اندازه گیری های فوتولومینسانس:

10. طراحی دستگاه های لومینسانس (Luminescence Instrumentation)

11. طراحی دستگاه های لومینسانس (Luminescence Instrumentation)
اجزائی که ویژگی های نور اولیه ای را که به نمونه برخورد می کند، تعیین می کنند:
منبع (Excitation Source)
انتخابگر طول موج برانگیختگی (Excitation Wavelength Selector)
قطعات اپتیکی مربوطه

12. طراحی دستگاه های لومینسانس (Luminescence Instrumentation)
جزئی که ویژگی های نور ثانویه یا نشری را، که توسط آشکارساز دیده می شود، مشخص می کند:
انتخابگر طول موج نشری(Emission Wavelength Selector)
در اغلب دستگاه های لومینسانس، نشر نور به طور معمول نسبت به محور برانگیختگی یا جذب در زاویه 90 درجه نسبت به نور منبع اندازه گیری می شود.
برای اندازه گیری های شیمی لومینسانس (Chemiluminescence)، نیازی به منبع برانگیختگی و انتخابگر طول موج برانگیختگی نخواهد بود.

13. طراحی دستگاه های لومینسانس (Luminescence Instrumentation)

14. طراحی دستگاه های لومینسانس (Luminescence Instrumentation)
فلورومتری (Fluorometry):
به اندازه گیری های فلورسانس اطلاق می شود که توسط فلورومتر (Fluorometer) و یا اسپکتروفلورومتر (Spectrofluorometer) انجام شده باشند.
در صوررتی که انتخابگر طول موج، صافی (Filter) باشد، به دستگاه حاصل فلورومتر گفته می شود.

15. طراحی دستگاه های لومینسانس (Luminescence Instrumentation)
در اسپکتروفلورومترها از تکفام‌ساز(Monochromator) به عنوان انتخابگر طول موج استفاده می گردد.
در دستگاه های ترکیبی (هیبریدی) از یک صافی و یک تکفام ساز همزمان استفاده شده است که به آنها نیز اسپکتروفلورومتر گفته می شود.

16. طراحی دستگاه های لومینسانس (Luminescence Instrumentation)
در معمول ترین پیکربندی از دستگاه های ترکیبی، برای جداسازی طول موج برانگیختگی از تکفام ساز، و برای جداسازی طول موج نشری از صافی استفاده می شود.
اصطلاحات فلوریمتر و فلوریمتری در اروپا رایج است.
برای اندازه گیری های فسفرسانس همیشه از اصطلاح فسفریمتری (Phosphorimetry) استفاده می شود.

17. ترکیبات لومینسانس دهنده
ترکیبات مولکولی لومینسانس دهنده به سه دسته کلی تقسیم بندی می شوند:
ترکیبات آلی
ترکیبات معدنی
ترکیبات فلزی-آلی (Organometallic Compounds)

18. ترکیبات لومینسانس دهنده
ترکیبات آلی:
هیدروکربن های آروماتیک (نفتالین، آنتراسن، فنانترن)
فلورسین
رودامین ها
پلی ان ها
دی فنیل پلی ان ها
آمینواسیدها (تریپتوفان، تیروزین و فنیل آلانین)

19. ترکیبات لومینسانس دهنده
ترکیبات معدنی:
یون اورانیل (UO2+)
بلورها (یاقوت Al2O3/Cr3+، ZnSe، ZnS،CdS
یون های لانتانید (Tb3+ و Eu3+)

20. ترکیبات لومینسانس دهنده
ترکیبات آلی-فلزی (Organometallic Compounds):
ترکیبات روتنیوم (Ru(bipy)3)
کمپلکس های حاوی یون های لانتانید
کمپلکس های حاوی معرف های کیلیت کننده ای (Chelating Agent) که تولید فلورسانس می کنند از جمله..
8-هیدروکسی کینولین ( اکسین)

21. ترکیبات لومینسانس دهنده
نانومواد لومینسانس دهنده
ترکیبات لومینسانس دهنده در مقیاس نانو وابسته به مواد تشکیل دهنده به طور کلی در چهار دسته قرار می گیرند:
نقاط کوانتومی نیمه هادی
خوشه های فلزی در ابعاد نانو
نانو مواد مختلط شده (Doped) با فلزات
کامپوزیت ها و هیبریدهای آلی-معدنی

22. ترکیبات لومینسانس دهنده
نقاط کوانتومی نیمه هادی همانند کادمیم سلنید (CdSe) و کادمیم تلورید (CdTe) جزء پرکاربردترین نانومواد لومینسانس دهنده می باشند.
نکات مهمی در مورد این مواد:
اندازه نانوذره باید به دقت کنترل شود.
ساختار پوسته-هسته و همینطور نوع ماده پوشاننده (Capping Agent) یا پایدارکننده (Stabilizer) باید مشخص باشد.

23. ترکیبات لومینسانس دهنده
به طور معمول نشر نقاط کوانتومی نیمه هادی به صورت گسسته است، که اصطلاحاً به این پدیده چشمک زدن (Blinking) می گویند.
انواع مختلفی از نقاط کوانتومی از گروه‌های II-VI، III-V و IV-IV با کارایی کوانتومی بسیار بالا (90-60 درصد) تهیه شده اند.
نشر از این نقاط کل ناحیه طیفی از ماوراء بنفش تا مادون قرمز را پوشش می دهد.

24. ترکیبات لومینسانس دهنده
با توجه به اثر اندازه کوانتومی (Quantum Size Effect)، در ترکیبات لومینسانس دهنده..
رنگ های مختلفی در طول موج نشری حاصل می شود که تنها با تغییر اندازه نانو ذره امکان پذیر است.

25. ترکیبات لومینسانس دهنده
نقاط کوانتومی نیمه هادی مشکلاتی دارند؛ از این جمله..
سمیت
مواد تشکیل دهنده آنها جزء عناصر کمیاب و گران قیمت کره زمین می باشند.
حساسیت نقاط کوانتومی نیمه هادی به هیدرولیز و اکسیداسیون کاربرد آنها را محدود می کند.

26. ترکیبات لومینسانس دهنده
رزونانس پلاسمون سطحی در خوشه های فلزی (عمدتاً طلا و نقره) منجر به نشر نور در ناحیه مرئی از این ترکیبات می شود.
وابستگی طول موج نشر نور به اندازه ذره در مورد این ترکیبات نیز دیده می شود.

27. ترکیبات لومینسانس دهنده
نانومواد مختلط شده (Doped) با فلزات (NaYF4:Er,Yb) و کامپوزیت ها و هیبریدهای آلی-معدنی دسته دیگری از نانو مواد لومینسانس کننده هستند که..
نشر نور در آنها مستقل از اندازه است و لذا سنتز آنها راحت تر می باشد.
نشر این ترکیبات منحصر به یک طول موج خاص می باشد.

28. ترکیبات لومینسانس دهنده
نانوکامپوزیت های آلی-معدنی به طور معمول از یک رنگ آلی لومینسانس کننده (ردامین و فلورسین) تشکیل شده اند که درون یک ماتریس معدنی قرار می گیرند.
ماتریس معدنی مورد استفاده در این ترکیبات عمدتاً سیلیکا و یا کلسیم فسفات می باشد.

29. ترکیبات لومینسانس دهنده
مشکل نانوکامپوزیت های آلی-معدنی این است که...
امکان کنده شدن ملکولهای رنگ جذب سطحی شده بر ماتریس معدنی، وجود دارد.
برای رفع این مشکل...
ملکول های رنگ را با روش های سنتز میکروامولسیون درون محفظه ای کپسول مانند از ماتریس معدنی قرار می دهند.

30. ترکیبات لومینسانس دهنده
بر خلاف نانو کامپوزیت ها، در هیبریدهای آلی-معدنی رنگ لومینسانس کننده جزء اصلی شبکه جامد محسوب می شود.
لذا هر نانوذره نشر نور را به صورت نقطه ای انجام می دهد.

31. تکنولوژی های جدید در فلورسانس
تحریک با فوتون های چندگانه
در این تکنولوژی تحریک توسط دو یا چند فوتون با طول موج هایی بلندتر از طول موج نشری صورت می پذیرد.
فلورسانس معمولاً توسط تحریک فلوروفور (قسمت مولکولی عامل ایجاد فلوروسانس) با یک فوتون تک صورت می گیرد.
لیزرهای پالسی با پهنای پالس در حد فمتوثانیه قادرند فلوروفورها را با تحریک توسط دو یا چند فوتون در حالت برانگیخته قرار دهند.

32. تکنولوژی های جدید در فلورسانس
استفاده از این لیزرها آسان بوده و در میکروسکوپ ها نیز کاربرد دارند.

33. تکنولوژی های جدید در فلورسانس
در صورتی که شدت نور لیزر زیاد باشد، یک فلوروفور می تواند به طور همزمان دو فوتون با طول موج های بلند را جذب کرده و به اولین حالت یکتایی برانگیخته شود.
این فرایند به شدت نور وابسته است و تنها در نقطه کانونی پرتو لیزری اتفاق می افتد.
میکروسکوپ های مبتنی بر فلورسانس با فوتون های چندگانه، از منابع تحریک با انرژی پایین تر ( معمولاً در ناحیه مادون قرمز یا مادون قرمز نزدیک) استفاده می کنند.

34. تکنولوژی های جدید در فلورسانس
اشعه مادون قرمز در لیزرها به دلایلی از جمله موارد زیر به خصوص برای آنالیز در محیط زنده (In-vivo) مناسب است:
عمق نفوذ بیشتر
کاهش پدیده خودجذبی و فلورسانس خودبخودی بافت های بدن
کاهش آسیب رسانی به بافت های بدن
متمرکز شدن نور در یک نقطه خاص

35. تکنولوژی های جدید در فلورسانس
Fluorescence Correlation Spectroscopy
این تکنیک برای اولین بار در سال 1970 معرفی گردید.
این اسپکتروسکوپی به منظور بررسی رفتار ملکول های زیستی در غلظت های بسیار کم در محلول به کار گرفته شد.

36. تکنولوژی های جدید در فلورسانس
اطلاعات بدست آمده توسط این روش:
واکنش هیبرید شدن (Hybridization Reaction)
تراکم مولکولی (Molecular Aggregation)
مقدار نفوذ ذره
سینتیک شیمیایی

37. تکنولوژی های جدید در فلورسانس
در این روش نور لیزر به حجم بسیار کوچک در حد فمتولیتر از محلولی که درون یک Cuvette قرار داده شده، متمرکز می شود.
حرکت برونی (Brownian Motion) ملکول های فلورسانس کننده ای که از درون این حجم بسیار کوچک عبور می کنند، منجر به نوسانات شدت فلورسانس می شود.
این نوسانات می تواند به دلیل تغییر تعداد فلوروفورها و یا تغییر بازده کوانتومی فلورسانس در نتیجه انجام یک واکنش شیمیایی باشد.

38. تکنولوژی های جدید در فلورسانس
دو کمیت بسیار مهم از آنالیز نوسانات شدت فلورسانس در حجم مشاهده شده بدست می آید، که عبارتند از:
تعداد ملکول ها در حجم مشاهده شده و یا به عبارتی غلظت آنها
هر تغییری در غلظت ملکول ها ممکن است به دلیل تجمع (Association) و یا تفکیک (Dissociation) آنها باشد.
ضریب نفوذ
هر تغییری در ضریب نفوذ ذره در محلول می تواند به دلیل تغییر اندازه یا شکل ذره و یا تغییر در ویسکوزیته محلول صورت گرفته باشد.
بسیاری از محققان معتقدند که این تکنیک برای بررسی سرعت نفوذ پروتئین به درون سلول های زنده بسیار مفید است.

39. تکنولوژی های جدید در فلورسانس
آشکار سازی ملکول های منفرد
مشاهده ملکول های منفرد توسط یک روش، نمایانگر دستیابی به بالاترین حساسیت ممکن در روش است.
در اکثر این آزمایشات فلوروفور بر روی یک سطح تثبیت می شود.
این فلوروفورها می بایست کارایی کوانتومی بالایی داشته و در برابر نور پایدار باشند.

40. تکنولوژی های جدید در فلورسانس
این تکنولوژی به سرعت در حال پیشرفت است، به طوری که علاوه بر شدت فلورسانس می توان طول عمر مولکول های تک را نیز اندازه گرفت.
بدون کمک این تکنولوژی، تقریباً تمام آزمایشات خواص میانگین تعداد زیادی از ملکول ها را نشان می دهند.
اگر امکان بررسی ملکول ها به صورت مجزا وجود داشته باشد، می توان به جزئیات بسیار ظریفی از ملکول ها مثل تغییر کنفورماسیون یک ملکول پی برد.

41. بحث و نتیجه گیری اجزاء دستگاه های اندازه گیری پدیده لومینسانس: منبع
انتخاب‌گر طول موج برانگیختگی
انتخاب‌گر طول‌موج نشری
سل نمونه
آشکارساز
پردازنده
دستگاه هایی که از صافی استفاده می‌کنند، با نام فلورومتر خوانده می شوند.
دستگاه‌هایی که از تکفام‌ساز استفاده می‌کنند، اسپکتروفلورومتر خوانده می شوند.

42. بحث و نتیجه گیری
به تکنیکهایی که در آنها پدیده فسفرسانس اندازه گیری می‌شود، فسفریمتری می گویند.
برخی ترکیبات آلی همچون فلورسین ورودامین، برخی ترکیبات معدنی مثل اورانیل و برخی بلورها و برخی از کمپلکس‌های آلی فلزی جزء ترکیبات معدنی فلوروسانس کننده هستند.
نقاط کوانتمی نیمه‌هادی و کربنی، خوشه‌های فلزی در ابعاد نانو، نانومواد مختلط شده با فلزات و همچنین برخی کامپوزیت های هیبریدی آلی-معدنی از دسته نانومواد لومینسانس کننده هستند.
تکنولوژی‌های جدید تحریک با فوتون چندگانه، طیف سنجی Correlation و روش‌های آشکارسازی مولکول‌های منفرد معرفی شده اند.