آنالیز طیف سنجی فوتولومینسانس (PL)

آنالیز PL: طیف سنجی فوتولومینسانس (PL)

یکی از شناخته شده‌ترین روش های لومینسانس، فوتولومینسانس است که در آن تهییج یا تحریک ماده به وسیله فوتون‌ها (نور ورودی) صورت می پذیرد. در این فرآیند الکترونها به ترازهایی با انرژی بیشتر رفته (برانگیخته می‌شوند) و سپس با برگشت الکترون‌ها به تراز‌هایی با انرژی کمتر، از طریق انتشار فوتون (تولید نور) انرژی جذب شده آزاد می‌شود.

برای ایجاد این تحریک در نمونه به طور مثال نیمه رسانا، ابتدا پرتویی با انرژی بیشتری در مقایسه با انرژی باند گپ به نمونه تابیده می‌شود و نمونه تهییج می شود و به حالت الکترونی بالاتری می رود. سپس نمونه با برگشتن به حالت پایه (relaxation) و انرژی پایین تر شروع به انتشار نور می‌کند. به بیان دقیق تر، برانگیختگی الکترون بین دو تراز اصلی انرژی E_۱ و E_۲ انجام می گردد.  الكترون با دریافت انرژی از فتون، به تراز انرژی E_۲ برانگیخته شده و پس از  حدود هشت تا ده ثانیه، پرتو فوتونی با انرژی اختلاف این دو تراز  E_۲– E_۱ تابش می کند و دوباره به تراز انرژی اولیه باز می گردد. تابش نور یا لومینسانس (تابناکی) از تغییر این فرآیند را فتولومینسانس یا PL می نامند. نور نشر شده توسط نمونه توسط یک طیف سنج تفکیک می‌شود تا شدت طول موج‌های نشر داده شده توسط نمونه بدست بیاید. این روش برای مطالعه خواص الکترونیکی و نوری مواد نیمه رسانا و مولکول‌ها به کار برده می شود. فتولومینسانس شامل دو پدیده فلوئورسانس و فسفرسانس است. تفاوت فسفرسانس و فلوئورسانس در اختلاف زمان بین دریافت فتون و تابش پرتو، یا به اصطلاحی دیگر دوام تابش می باشد. در صورتی که زمان تحریک از ۱۰^۸  ثانیه کمتر باشد، این پدیده را فلوئورسانس و اگر زمان تحریک بیشتر از  ۱۰^۸  ثانیه باشد، آن را فسفرسانس می گویند. به بیانی دیگر در فسفرسانس تحریک و تابش طولانی‌تر است. در شکل زیر انتقال الکترون و تابش را در پدیده های فوق مشاهده می کنید.

 وقتی نمونه ای پس از برخورد لیزر تابش می کند، هم پدیده PL و هم پراکندگی رامان رخ می دهد. شدت تابش PL می تواند بسیار بیشتر باشد. در نتیجه برای نمونه هایی که PL مناسبی دارند امکان آنالیز رامان در طول موج تابیده شده امکان پذیر نیست. برای درک پدیده پراکندگی رامان می توانید به صفحه این آنالیز در مهامکس مراجعه کنید. میزان و نوع PL وابسته به نوع ماده و طول موج لیزری است که به آن تابیده می شود. تداخل های فلوئورسانس ناخواسته را می توان از طریق انتخاب مناسب طول موج لیزر از بین برد.

نور نشر شده توسط نمونه توسط یک طیف سنج تفکیک می‌شود تا شدت طول موج‌های نشر داده شده توسط نمونه بدست بیاید. روش کار دستگاه در ادامه مطلب شرح داده خواهد شد. این روش برای مطالعه خواص الکترونیکی و نوری مواد نیمه رسانا و مولکول‌ها به کار برده می شود.

توانایی‌های آنالیز PL

• روشی غیر مخرب و غیرتماسی است
• بررسی خواص نوری و ساختاری مواد نیم رسانا و مولکول‌ها
• اندازه گیری باند ممنوعه انرژی (بند گپ)
• غلظت سنجی مولکول‌هایی که دارای خاصیت فوتولومینسانس دارند در محلول
• بررسی برخی از داروها
• بررسی دارو رسانی

روش کار دستگاه طیف سنجی فوتولومینسانس (PL) و انتخاب طول موج تهییج

دستگاه فتولومینسانس (PL) از دو بخش اصلی تشکیل شده است. یک بخش تولید نور تحریک و یا تهییج و بخش دیگر بخش طیف سنجی پرتو نور نشر شده توسط نمونه است. در دستگاه فتولومینسانس، نمونه درون یک محفظه قرار می‌گیرد و در محفظه بسته می‌شود. محفظه بگونه‌ای طراحی شده که هیچ گونه نوری وارد محفظه نشود. سپس یک پرتو نوری تکفام (تک طول موج) به نمونه تابیده می‌شود. این پرتو نوری همان پرتو نوری تحریک است که با چگالی شدت مشخص و طول موج مشخص به نمونه تابانده می‌شود. انتخاب انرژی درست برای طول موج تحریک بسیار مهم است، اگر انرژی پرتو نوری تابانده شده کمتر از گاف انرژی باشد، هیچگونه تحریکی در نمونه ایجاد نمی‌شود و اگر انرژی خیلی زیاد باشد ممکن است به ترکیبات مولکولی آسیب وارد کند.

از این رو انتخاب طول موج مناسب برای تحریک مهم است. برای انتخاب طول موج مناسب، متقاضی می‌تواند از روی مقالات مشابه طول موج مناسب را مشخص کند و یا اپراتور دستگاه فوتولومینسانس با تغییر دادن طول موج تحریک این طول موج را بدست بیاورد. بعد از بر انگیخته شدن نمونه با پرتو تحریک، نمونه شروع به تابش پرتوهای نوری می‌کند که بر اثر فرایند فوتولومینسانس ایجاد شده است. نور خروجی توسط یک منشور تجزیه می‌شود و یک آشکار ساز نیمه هادی شدت هر طول موج را اندازه گیری می‌کند. طول موج ‌های اندازه گیری شده طول موج‌های بیشتر از طول موج‌های تحریک هستند. زیرا شدت طول موج تهییج زیاد است و باید فیلتر شود و به طور کلی طول موج نور نشر شده از نمونه بیشتر از طول موج تحریک است به همین دلیل آشکار ساز، شدت طول موج‌های بزرگتر از طول موج تحریک را بررسی می‌کند.

نتایج آنالیز PL

نتایج آنالیز فوتولومینسانس (PL) به صورت یک فایل اکسل گزارش می‌شود که این فایل اکسل دارای داده‌های نقطه به نقطه مربوط به نمودار شدت بر حسب طول موج نور ساطع شده از نمونه است.