Prof. Dr. Bilsen Beşergil: Fluoresansın Teorisi (theory of fluorescence)

Fluoresans davranış basit ve kompleks gazlarda, sıvı ve katı kimyasal sistemlerde görülebilir. En basit fluoresans seyreltik atomik buharlar tarafından çıkarılır. Örneğin. buharlaştırılmış sodyum atomunun 3s elektronları, 5896 ve 5890 A⁰'deki ışının absorblanmasıyla 3p haline uyarılırlar. 10^-8 s kadar sonra, elektronlar tekrar temel hale dönerlerken bu iki dalga boyunda (her yönde) ışın çıkarırlar. Bu tip fluoresansa, yani absorblanan ışının hiç değişmeden tekrar emitlenmesine "rezonans ışını veya fluoresansı" denir.

Poliatomik moleküller ve iyonlar da rezonans ışını verirler; ayrıca, daha uzun dalga boylu özel ışınlar emitlenir. Bu olaya "Stokes kayması" denir.

1. Uyarılmış Haller

İki atom arasındaki bir bağ, bağları oluşturan bir çift elektronun atomik orbitallerinin üst üste düşmesiyle oluşan bir veya daha fazla moleküler orbitalden oluşur. İki atomik orbitalin birleşmesiyle bir bağ orbitali ve bir anti-bağ orbitali meydana gelir; birincinin enerjisi daha düşüktür ve bu nedenle temel haldeki elektronlar buraya yerleşirler. Her bir moleküler orbitalin elektronik enerji seviyesi üzerinde birbirine çok yakın bir seri titreşim enerji seviyeleri bulunur. Bundan dolayı, her elektronik absorbsiyon bandında, temel halden uyarılmış bir elektronik halin birkaç titreşim seviyesine geçişten kaynaklanan, bir seri birbirine yakın titreşim pikleri yer alır.

Pek çok molekülde çift sayıda elektron vardır; temel halde, bu elektronlar çeşitli atomik ve moleküler orbitallerde çiftler şeklindedirler. Pauli dışlama ilkesine göre bir orbitaldeki iki elektronun spinleri birbirinin zıttıdır (yani çiftleşmiş spinler). Spin çiftleşmesinin (çift sayılı elektronlu) net elektron spini yoktur ve molekül diamagnetik özelliktedir. Tüm elektron spinlerinin çiftleştiği bir moleküler elektronik hale "tekli (singlet)" hal denir; molekül bir magnetik alana tutulduğunda enerji seviyesinde ayrılma (bölünme) olmaz (burada çekirdek spininin etkisi ihmal edilmiştir). Bir serbest radikal için temel hal bir "ikiz (doublet)" haldir; burada, tek elektron bir magnetik alanda iki düzende bulunabilir ve enerji seviyesi ikiye ayrılır.

Bir molekülün elektronlarından biri daha yüksek bir enerji seviyesine uyarıldığında, bir tekli veya bir "üçüz (triplet)" hal oluşur. Uyarılmış tekli hale geçirilen elektronun spini temel haldeki elektronla çiftleşmiş durumdadır; üçlü (üçüz) halde ise iki elektronun spinleri çiftleşmiş değil paralel durumdadır.

Uyarılmış üçlü haldeki bir molekülün özellikleri, buna uygun tekli haldeki özelliklerinden farklıdır. Örneğin, molekül birinci durumda paramagnetik olduğu halde, ikinci durumda diamagnetiktir. Elektronik haldeki bir değişiklikle de ilgili olan bir tekli-üçlü geçişi (veya tersi) olasılığı, tekli-tekli geçişten daha azdır. Bundan dolayı, uyarılmış bir üçüz halin ortalama yaşam süresi bir saniye (veya daha fazla) gibi uzun bir zamandır. Uyarılmış bir tekli hal içinse bu süre 10^-8 s kadardır. Bundan başka bir temel-hal molekülünün ışın-etkisiyle bir üçüz hale uyarılması çabukça gerçekleşemez ve bu işlem nedeniyle oluşan absorbsiyon piklerinin şiddeti, benzer tekli-tekli geçişten oluşan piklerin şiddetinden birkaç derece daha küçüktür. Uyarılmış bir üçlü hali, bazı moleküllerin "uyarılmış" bir tekli halinin bir arada toplanmasıyla da oluşabilir; bu işlemin sonucunda fosforesans davranış çıkar.

Şekil-1'de tipik bir fotoluminesans molekülün enerji seviyesi diyagramının bir kısmı gösterilmiştir. Alttaki kalın yatay doğru molekülün temel-hal enerji seviyesidir; normal olarak bir tekli haldir ve S₀ 'la gösterilir. Oda sıcaklığında temel hal, bir çözeltideki tüm moleküllerin enerjilerini belirtir.

Şekil-1: Bir fotolüminesans sistem; absorbsiyon, fluoresans ve fosforesans için kısmi Jablonski (enerji) diyagramı

Üst kısımdaki kalın yatay hatlar, üç uyarılmış elektronik halin temel titreşim hallerinin enerji seviyeleridir. Soldaki iki hat birinci (S₁) ve ikinci (S₂) elektronik tekli halleri, sağdaki hat (T₁) birinci elektronik üçüz hali gösterir. Normal olarak, birinci uyarılmış üçlü halin enerjisi, karşılığı olan tekli hallerden daha düşüktür.

Dört elektronik halin her biri için çok sayıda titreşim enerji seviyeleri bulunur. Bunlar ince yatay çizgilerle gösterilmiştir.

Şekil-1'de görüldüğü gibi, bu molekülün uyarılması, iki ışın bandının absorbsiyonu ile gerçekleştirilmiştir, bunlardan biri l₂ (S₀ ® S₁) dalga boyu dolayında, diğeri daha kısa olan l₂ (S₀ ® S₂) dolayındadır. Uyarma işlemi sonunda molekül birkaç uyarılmış titreşim hallerinden birine geçer. Doğrudan üçüz hale uyarılma mümkün olmaz, çünkü bu işlem çoklukta bir değişiklik gerektirir.

2. Deaktivasyon (Aktifliğin Bozulması)

Uyarılmış bir molekül birkaç mekanik kademeyle temel haline geri döner. Şekil-1'deki dik oklarla gösterildiği gibi, bu kademelerden ikisi (bir ışın fotonu çıkar) fluoresans ve fostoresanstır. Dalgalı çizgilerle gösterilmiş olan diğer deaktivasyon kademeleri ışımasız işlemlerdir. Temel hale geçişteki en olası durum yaşam süresi minimum olan uyarılmış haldir. Buna göre, fluoresansla deaktivasyon ışımasız işleme kıyasla daha hızlı ise, fluoresans olayı gözlenir. Eğer ışımasız bir yolun hız sabiti daha yüksekse, fluoresans olayı gözlenmez veya çok zayıftır.

Fluoresans olayının gözlenebildiği sistemler oldukça azdır. Yapısal ve çevresel durum ışımasız relaksasyon veya deaktivasyon hızını, emisyon reaksiyonu hızının (kinetik olarak) buna rakip olduğu bir noktaya kadar azaltır. Bu hızı kantitatif olarak saptayabilecek emisyon işlemi ile ilgili yeterli bilgi vardır.

Emisyon Hızı: Fluoresans emisyon uyarma işleminin tersi olduğundan, bir uyarılmış halin yaşam süresi ve uyarma işlemine uygun absorbsiyon pikinin molar absorbtivitesi arasında basit ters bir ilişki bulunur. Deneylerle de doğrulandığı gibi uyarılmış halin tipik yaşam süresi, molar abrorbtiviteler 10³ – 10^-5 aralığında olduğunda 10^-7 – 10^-9 saniyedir (ve emisyonla deaktive olur). Geçiş işlemi olasılığının düşük olduğu daha zayıf absorblayıcı sistemler için, yaşam süresi 10^-6 – 10^-5 saniye gibi daha uzun olur. Deaktivasyon işlemi fluoresans şiddeti azaltır.

Titreşim Relaksasyonu (Gevşemesi): Şekil-1'de görüldüğü gibi, bir molekül, uyarma işlemi sırasında titreşim seviyelerinden herhangi birine gönderilebilir. Çözeltilerde, uyarılmış moleküllerle solvent arasındaki çarpışmalar sonunda fazla titreşim enerjisi kaybolur; böylece bir enerji transferiyle solventin sıcaklığında az bir artış gözlenir. Titreşimce uyarılmış bir molekülün ortalama yaşam süresi 10^-12 saniye veya daha az ise relaksasyon işlemi olur; bu süre bir elektronik uyarılmış halin yaşam süresinden daha kısadır. Buna göre, çözeltiden fluoresans oluşması, daima "uyarılmış bir halden en düşük titreşim seviyesine" bir geçiş olmasıyla gerçekleşir. Elektron "temel halin herhangi bir titreşim seviyesine" geri dönebildiğinden (Şekil-1a), diğer bir titreşim relaksasyonu ile hızla en düşük temel hale düşer.

Titreşim relaksasyonu yeterliyse elektronik bir geçişten oluşan fluoresans bandı absorbsiyon bandından daha düşük frekanslara kayar; Sadece temel haldeki en düşük titreşim seviyesi ve buna uygun uyarılmış hal seviyesi arasındaki geçişlerle oluşan rezonans piki absorbsiyon bandının üzerine düşer.

İç Dönüşüm (İç Değişme): "İç dönüşüm" terimi ile, bir molekülün ışın yaymadan daha düşük enerjili bir "elektronik" hale geçtiği molekül içi işlemler tarif edilir. İç dönüşüm, özellikle iki elektronik enerji seviyesinin, titreşim seviyelerinde bir üst üste düşme olayı yaratacak kadar yakın olması durumunda ortaya çıkar. Bu durum iki uyarılmış tekli hal için Şekil-1'de gösterilmiştir. Üst üste durumda iki uyarılmış halin potansiyel enerjileri birbirine eşittir; bu eşitlik verimli bir geçiş sağlar. Üst üste titreşim seviyeleri yoluyla iç değişme olasılığı, bir yüksek uyarılmış halden fluoresansla enerji kaybetme olasılığından daha fazladır. Buna göre (Şekil-1), l₂ ışını ile uyarılma sonunda S₂ ve S₀ arasındaki bir geçişten oluşan bandın çıkmasıyla, l₃ dalga boyunda fluoresans üretilir. Burada, uyarılan molekül yüksek elektronik halden bir seri titreşim relaksasyonları, bir iç değişme ve diğer relaksasyonlar yoluyla daha düşük elektronik halin en düşük titreşim seviyesine ilerler. Bu halde, fluoresans uyarmayı yapan l₁ veya l₂ dalga boylarına bağlı olmayarak, "sadece" l₃ meydana gelir.

Şekil-1’de görülen iç değişme işlemlerinin (S₁ ® S₀ ve T₁ ® S₀) mekanizması çok iyi bilinmemektedir. Temel halin titreşim seviyeleri birinci uyarılmış halin titreşim seviyeleri üzerine düşebilir; böyle durumlarda deaktivasyon, yukarıda tarif edilen şekilde olur. Bu durum alifatik bileşiklerde çok görülür, ve bu nedenle de alifatik bileşiklerde fluoresansa nadiren rastlanır; yani, titreşim seviyelerinin üst üste düşmesiyle çok hızla enerji transferi olması fluoresansı engeller.

"Ön disosiyasyon (ön ayrışma)" olayı da iç değişmeye neden olabilir. Burada, elektron, yüksek bir elektronik seviyeden, titreşim enerjisi bir bağı koparabilecek kadar büyük olan, daha düşük bir elektronik seviyenin en üstteki titreşim haline geçer. Büyük bir molekülde, kromoforların elektronik uyarılma enerjilerinden daha az kuvvetli bağların bulunma olasılığı fazladır. Elektronik enerjinin iç değişimle titreşim enerjiye geçmesinin ardından kromoforların enerji absorbsiyonu sonunda bu bağlar kopar.

Bir ön disosiyasyon, bir disosiyasyon olayından farklıdır; disosiyasyonda absorblanan ışın, bir kromoforun elektronunu kromoforik bandı koparabilecek kadar yüksek bir titreşim seviyesine doğrudan uyarır; bir iç değişme olayı yoktur. Disosiyaysyon işlemi de fluoresans olayına rakiptir.

Dış Dönüşüm (Değişme): Uyarılmış bir elektronik halin deaktivasyonu, uyarılmış molekül ve solvent (veya diğer moleküller) arasındaki etkileşim ve enerji transferi ile ilgilidir. Bu işlemlere "dış dönüşüm" denir. Solventin fluoresans şiddetini önemli derecede etkilemesi dış değişme olayının varlığını gösteren bir örnektir; ayrıca tanecikler arasındaki çarpışma sayısını azaltan koşullar (düşük sıcaklık ve yüksek viskozite) fluoresansın yükselmesini sağlarlar. En düşük uyarılmış tekli ve üçüz hallerden temel hale ışımasız geçiş (Şekil-1), iç değişme olayları kadar, dış değişme olayları ile de ilgilidir.

Sistem-Arası Geçiş: "Sistem-arası geçiş", uyarılmış bir elektron spininin ters dönmesi ve molekülün çokluğunda bir değişme işlemidir. İç değişmede olduğu gibi, iki halin titreşim seviyelerinin üst üste düşmesi bu geçişin olasılığını artırır. Şekil-1'de görülen tekli-üçlü geçişi bir örnektir; burada, en düşük tekli titreşim seviyesi üsteki üçlü titreşim seviyelerinden biri ile üst üste düşer ve böylece spin halinde bir değişiklik olasılığı çok büyür.

Sistem-arası geçiş, iyod ve brom gibi, ağır atomlar içeren moleküllerde daha çok görülür. Bu tip atomların varlığında spin ve orbital hareketleri arasındaki etkileşim çok büyür ve spinde bir değişiklik kolaylaşır. Çözeltide moleküler oksijen gibi paramagnetik maddelerin bulunması da sistem içi geçişi artıracağından fluoresansı azaltır.

Fosforesans: Deaktivasyon olayı fosforesansla da ilgilidir. Uyarılmış bir üçüz hale sistem-arası geçişten sonra iç veya dış dönüşüm, veya fosforesans yoluyla deaktivasyon oluşur. Bir üçlü-tekli geçişi olasılığı, bir tekli-tekli değişiminden daha azdır, ve uyarılmış üçlü halin ortalama yaşam süresi, emisyona göre, 10^-4 - birkaç saniye aralığındadır. Buna göre, böyle bir geçişten oluşan emisyon, ışınlandırma kesildikten sonra bir süre daha devam eder.

İç ve dış değişimler fosforesans olayı ile rekabet ederler, bu tip emisyon sadece çok düşük sıcaklıklarda veya viskoz ortamlarda gözlenebilir.

3. Fluoresans ve Fosforesansı Etkileyen Değişkenler

Bir maddenin fluoresans veya fosforesans olup olmaması moleküler yapısına, kimyasal çevresine, ve oluşan emisyonun şiddetine bağlıdır. Bu kısımda değişkenlerden bazılarının etkileri kısaca incelenecektir.

Verimi: Bir fluoresans işlemindeki "kuvantum verimi" veya "kuvantum etkinliği", basitçe, ışıyan moleküllerin sayısının toplam uyarılan moleküllerin sayısına oranı olarak tarif edilir, (fosforesans için de kuvantum verimi benzer şekilde tarif edilir). Fluoresein gibi çok yüksek bir fluoresans molekül için kuvantum verimi, bazı koşullarda, 1'e ulaşır. Hissedilir derecede ışıma göstermeyen kimyasal maddelerin verimi sıfıra yakındır.

Şekil-1 deki bilgilere ve deaktivasyon işlemleri üzerindeki incelemelere göre bir bileşiğin fluoresans kuvantum verimi f, en düşük uyarılmış tekli-halin oluştuğu işlemlerin relatif hızları ile saptanmalıdır; bu işlemler fluoresans, sistemler arası geçiş, dış ve iç dönüşmeler, öndisosiyasyon ve disosiyasyondur. Bu ilişkileri aşağıdaki denklemle gösterebiliriz. (k terimleri, işlemlerin hız sabitleridir.)

Fluoresansın kuvantum verimi:

Fluoresansın yaşam süresi:

Denklem(1), fluoresans şiddeti etkileyen yapısal ve çevresel etkenlerin kalitatif yorumuna olanak verir. Fluoresans hız sabiti k_f nin büyük olması ve diğer k terimlerinin küçük olmalarının fluoresansı artıracağı açıktır. k_f nin büyüklüğü, öndisosiyasyon hız sabiti k_pd, ve disosiyasyon hız sabiti k_d kimyasal yapıya bağlıdır. Diğer sabitler daha çok çevreden, az derecede de yapıdan etkilenirler.

Fluoresansta Geçiş Tipleri: Ultraviyole ışının veya 250 nm den kısa dalga boylarındaki ışının absorbsiyonu fluoresans vermez (veya nadiren verir). Çünkü bu ışının enerjisi uyarılmış halin öndisosiyasyon veya disosiyasyon ile deaktivasyonu için yeteri kadar yüksektir. Örneğin, 250 nm dalga boyundaki ışın 140 kcal/mol kadar enerjiye eşdeğerdir; pek çok moleküldeki bazı bağlar bu büyüklükteki enerjiyle koparılır. Sonuçta, s*® s geçişi ile oluşan fluoresans nadiren gözlenir; bunun yerine, böyle emisyonlar daha az enerjili p* ® p ve p*® n işlemleriyle sınırlanır.

Elektronik olarak uyarılmış bir molekül, ışın emisyonu vermeyen bir seri hızlı titreşim relaksasyonları ve iç değişimlerle, "en düşük uyarılmış haline" döner. Bu durumda, gözlenen herhangi bir fluoresans çoğu kez birinci uyarılmış halden temel hale bir geçişten oluşur. Fluoresans bileşiklerin çoğunluğu için sonra, hangisinin daha az enerjili olduğuna bağlı olarak, ya n, p* veya p, p* uyarılmış halin deaktivasyonuyla ışın üretilir.

Kuvantum Verimi ve Geçiş Tipi: Fluoresans davranış daha çok, en düşük enerjili uyarılmış halin, p, p* tipi (n, p* yerine) olduğu bileşiklerde gerçekleşir, yani, p*® p geçişlerinde kuvantum verimi daha büyüktür. p, p* haliyle ilgili daha büyük kuvantum verimi iki şekilde açıklanabilir. Birincisi, bir p ® p* geçişinin molar absorbtivitesi, n ® p* işleminin 100-1000 katıdır, ve bu miktar her iki yöndeki geçiş olasılığını belirler; buna göre, p ® p* geçişiyle ilgili zaman süresi daha kısadır (bir n, p* hali için olan 10^-5 – 10^-7 s ile kıyaslandığında 10^-7 – 10^-9 s dir) ve Denklem(1) deki k_f büyük olur.

Başka bir konu da sistem içi geçiş hız sabiti k_i nin p, p * uyarılmış halinde daha küçük olmasıdır, çünkü tekli-üçüz halleri arasındaki enerji farkı daha büyüktür; yani p, p* uyarılmış halinin elektron çiftlerini ayırmak için daha fazla enerjiye gereksinim vardır. Bu nedenle de, bu tekli hallerle üçüz titreşim seviyelerinin üst üste düşmesi daha azdır ve sistem içi geçiş olasılığı daha küçük olur.

Özetlenecek olursa fluoresans, n, p* hallerinden çok, p, p* hallerinde görülür. Çünkü p, p* işleminin ortalama yaşam süresi daha kısa (k_f daha büyük) ve fluoresansla rekabet eden diğer deaktivasyon işlemleri daha azdır.

Fluoresans ve Yapı: En şiddetli fluoresans davranışa, düşük-enerjili p ® p* geçiş seviyeli fonksiyonel gruplar içeren aromatik bileşiklerde raslanır. Alifatik ve alisiklik karbonil yapılar içeren bileşikler veya çok yüksek konjuge çift bağ yapılar da fluoresans özellik gösterebilirler, fakat bu tip bileşiklerin sayısı aromatik sistemlere göre azdır.

Sübstitue olmamış pek çok aromatik hidrokarbonlar da çözeltide fluoresans özellik gösterirler, kuvantum verimi halka sayısı ve halkanın durumuna göre artar. Piridin, furan, tiyofen, ve pirrol gibi en basit heterosiklik bileşikler fluoresans davranış göstermezler; diğer taraftan yapışık-halkalı yapılar fluoresanstır. Azot içeren heterosiklik bileşiklerde en düşük-enerjili elektronik geçiş n ® p* geçişidir, bu ise hızla üçüz hale dönüşerek fluoresansa engel olur. Benzen halkasının heterosiklik bir çekirdeğe yapışması, absorbsiyon pikinin molar absorbtivitesini artırır; uyarılmış halin yaşam süresi kısalır ve fluoresans oluşur. Kinolin, isokinon, indol bu tip bileşiklerdir.

Benzen halkasında sübstitüsyon, absorbsiyon maksimumundaki dalga boyunun kaymasına ve ilgili fluoresans piklerinin değişmesine yol açar. Ayrıca, sübstitüsyon çoğu kez fluoresans verimini de etkiler (Tablo-1).

Halojen sübstitüsyonunun etkisi oldukça çarpıcıdır; halojenin atom numarası arttıkça fluoresans azalır, bu durum kısmen ağır atom etkisinden kaynaklanır. Bu durumda sistemler arası geçişle üçüz hale geçiş olasılığı artar. İyodobenzen ve nitro türevlerinde ön disosiyasyonun önemli bir rol oynadığı kabul edilir; bu bileşiklerdeki bağlar, iç değişmeden sonra uyarma enerjisinin absorblanmasıyla kopar.

Bir aromatik halkaya bir karboksilik asit veya karbonil grubunun sübstitüsyonu fluoresansı engeller. Bu bileşiklerde, n, p* sisteminin enerjisi p, p* sistemindekinden daha azdır; daha önce de değinildiği gibi, birinci tip sistemin fluoresans verimi oldukça düşüktür.

Tablo-1: Benzenin Fluorensansına Sübstitüsyonun Etkisi

(Etanol çözeltisinde)

Bileşik	Formül	Fluorensansın dalga boyu, nm	Fluorensansın relatif şiddeti
Benzen	C₆H₆	270-310	10
Toluen	C₆H₅¾CH₃	270-320	17
Propilbenzen	C₆H₅¾C₃H₇	270-320	17
Fluorobenzen	C₆H₅¾F	270-320	10
Klorobenzen	C₆H₅¾Cl	275-345	7
Bromobenzen	C₆H₅¾Br	290-380	5
İyodobenzen	C₆H₅¾I	-	0
Fenol	C₆H₅¾OH	285-365	18
Fenolat iyonu	C₆H₅¾O^-	310-400	10
Anisol	C₆H₅¾O¾CH₃	285-345	20
Anilin	C₆H₅¾NH₂	310-405	20
Anilinyum iyonu	C₆H₅¾NH₃⁺	-	0
Benzoik asit	C₆H₅¾COOH	310-390	3
Benzonitril	C₆H₅¾C º N	280-360	20
Nitrobenzen	C₆H₅¾NO₂	-	0

Yapısal Sertliğin Etkisi: Sert yapılı moleküllerdeki fluoresansın daha fazla olduğu deneylerle saptanmıştır. Örneğin, fluoren ve bifenilin kuvantum verimleri, benzer ölçme koşullarında sırasıyla, 1.0 ve 0.2 dolayındadır.

Fluoren metilen grubu köprüsü nedeniyle daha sert bir yapıdadır, bu nedenle de fluoresans özelliği bifenilden daha fazladır. Benzer pek çok örnek gösterilebilir. Ayrıca, fluoresans boyalar katı bir yüzey (sertliği artırıcı etki) üzerinde absorblandığında emisyon artar.

Bazı organik şelat maddeleri bir metal iyonuyla kompleks oluşturduğunda, fluoresans özellik artar, bu durum da molekül sertliğinin artmasının bir sonucudur. Örneğin, 8-hidroksikinolinin fluoresans şiddeti, bunun çinko kompleksininkinden çok daha azdır.

Bir molekülün sertliğini kaybetmesi iç değişme hızını (Denklem-1 deki k_ic) artırarak ışımasız deaktivasyon olasılığını yükseltir. Sert olmayan bir molekülün bir parçası diğer parçalara göre düşük-frekans titreşimi yapabilir; bu tür hareketler enerji kaybına neden olabilir.

Sıcaklık ve Çözücünün (Solventin) Etkileri: Pek çok molekülde sıcaklığın artmasıyla fluoresansın kuvantum verimi azalır, çünkü yüksek sıcaklıklarda çarpışma frekansı artar ve böylece dış dönüşüm ile deaktivasyon olasılığı yükselir. Solvent viskozitesinin azalması da dış değişme olasılığını artırarak aynı etkiyi yapar. Solventin poloritesinin etkisi de önemli olabilir. Bölüm(4)'de, n® p* geçiş enerjilerinin polar solventlerde artırıldığı, p® p* geçişinin ise azaltıldığı belirtilmiştir. Bu kaymalar bazan, p® p* işleminin enerjisini n® p** geçişinin altına düşürecek kadar büyük olur; sonuçta fluoresans artırılır.

Bir molekülün fluoresansını, ağır atomlar içeren solventer veya yapısında ağır atomlar bulunan bileşikler azaltır; karbon tetrabromür ve etil iyodür bu tip maddelerdir. Buradaki etki, fluoresans maddelere ağır atomların sübstitüsyonunda görülen etki ile aynidir; orbital spin etkileşimi üçlü oluşum hızını artırır ve buna uygun olarak ta fluoresans azalır. Ağır atomlar içeren bileşiklerde yüksek fluoresans istendiğinde, madde uygun bir solventle birleştirilir.

Fluoresansa pH ın Etkisi: Asidik veya bazik halka sübstitüenti bulunan bir aromatik bileşiğin fluoresansı, çoğunlukla, pH a bağımlıdır. Bileşiğin iyonize ve iyonize olmamış hallerinin dalga boyu ve emisyon şiddetleri farklıdır. Tablo-1'de fenol ve aniline ait veriler bu etkiyi göstermektedir. Bu bileşiklerin emisyon değerlerindeki değişiklikler, asit-baz indikatörlerinde gözlenen farklılığa benzer; gerçekte, çok renkli çözeltilerde asit-baz titrasyonları fluoresans indikatörlerle yapılır. Örneğin, 1-naftol-4-sülfonik asitin fluoresansı, ultraviole bölgede oluştuğundan, gözle izlenemez. Baz ilavesiyle madde fenolat şekline dönüştürülürse, emisyon piki görünür dalga boylarına kayar ve gözle izlenebilir hale gelir. Bu değişiklik, fenolün asit disosiyasyon sabitinden çıkarılan pH dan farklı bir pH'da oluşur; nedeni "uyarılmış" molekülün asit disosiyasyon sabitinin aynı molekülün temel haddeki değerinden farklı olmasıdır. Uyarılma ile asit veya baz disasiyasyon sabitlerinin değişmesi olağandır; büyüklüğü 4. veya 5. derecedendir.

Bu incelemelere göre, fluoresansa dayanan analitik işlemlerde pH ın çok iyi kontrol edilmesi gereği açıkca görülmektedir.

Çözünmüş Oksijenin Etkisi: Fluoresans bir çözeltinin şiddeti, ortamda çözünmüş oksijen bulunması durumunda azalır. Bu etki, fluoresans taneciklerin fotokimyasal tesirle oksitlenmelerinden kaynaklanabilir. Ayrıca, moleküler oksijenin paramagnetik özelliği nedeniyle, sistemler arası geçişin hızlanması ve uyarılmış moleküllerin üçüz hale dönüştürülmesi de fluoresansı azaltır; bu etki daha fazladır. Diğer paramagnetik maddeler de fluoresansı zayıflatırlar.

Fluoresans Şiddetine Konsantrasyonun Etkisi: Fluoresans ışının gücü F, sistem tarafından absorblanan uyarıcı demetin ışın gücü ile orantılıdır. Yani,

P₀ çözeltiye gelen demetin gücü, P demetin b uzunluğundaki ortamı geçtikten sonraki gücüdür. K’ sabiti, fluoresans işleminin kuvantum verimine bağlıdır. F nin fluoresans madde konsantrasyonuyla (c) ilişkisi Beer kanunundan çıkarılır. Kanun aşağıdaki şekilde yazılabilir,

burada e fluoresans moleküllerin molar absorbtivitesi, e b c de absorbans, A, dır. Denklem(3) denklem(2)’de yerine konularak aşağıdaki eşitlik çıkarılır.

buradaki üstel terim açılabilir:

e b c = A < 0.05 olduğunda, parantez içindeki tüm terimler birinci terime göre çok küçük olur; bu durumda,

Buna göre bu çözeltinin fluoresans gücünün emisyonu yapan taneciklerin konsantrasyonuna göre çizilen eğrisi, düşük konsantrasyonlarda, bir doğru şeklindedir. Konsantrasyonun, >0.05 absorbansa kadar artırılmasından sonra doğrusallık kaybolur ve F, doğru-hattın ektrapolasyonunun altında bir yerde bulunur. Yüksek konsantrasyonda doğrusallıktan negatif sapmanın iki nedeni vardır, bunlar "kendini-zayıflatma" ve "kendini-absorblama" dır. Birincisi, uyarılmış moleküller arasındaki çarpışmanın sonucudur. Bu durumda ışımasız enerji transferi olur; bu olay bir dış dönüşümdeki solvent moleküllerine enerji transferine benzer. Kendini zayıflatma konsantrasyonla artar. Öz soğurma (kendini absorblama) olayı, emisyon dalga boyunun bir absorbsiyon dalga piki ile çakışması durumunda ortaya çıkar; emitlenen demet çözeltiye geçerken fluoresans zayıflar. Bu olayların etkileri nedeniyle, fluoresans güç-konsantrasyon eğrisi, çoğu zaman, bir maksimum gösterir.

GERİ