FLUORESCENCIA MOLECULAR

Mayor sensibilidad: Los lmites de deteccin son 10 1000 veces menores que en la espectroscopa de absorcin

Excitacin electrnicamolcula + hn molcula* molcula* molcula + calor

Estado excitado

Estado basal o fundamental Espn del electrn y de los estados excitadosEl principio de exclusin de Pauli establece que en un tomo no puede haber dos electrones con los cuatro nmeros cunticos iguales. Esta restricccin requiere que no haya ms de dos electrones en un orbital y adems, los dos deben tener los estados de espn opuestos. Cuando esto ocurre se dice que los espines estn apareados. Debido al apareamiento de los espines, la mayora de las molculas no presentan un campo magntico neto y se dice por tanto que son diamagnticas, es decir, no son atradas ni repelidas por campos magnticos permanentes. Por el contrario, los radicales libres, que contienen electrones desapareados, tienen un momento magntico, y consecuentemente, son atrados cuando se encuentran en un campo magntico, por ello se dice que los radicales libres son paramagnticos.

Un estado electrnico molecular en el cual todos los espines de los electrones estn apareados se llama estado singulete y cuando la molcula se expone a un campo magntico no se produce un desdoblamiento de niveles de energa. Por otro lado, el estado fundamental para un radical libre, es un estado doblete porque el electrn impar puede tomar dos orientaciones en un campo magntico, lo que comunica ligeras diferencias de energa al sistema. Cuando uno de los electrones de una molcula se excita a un nivel de energa superior, se forma un estado singulete o triplete. En el estado singulete excitado, el espn del electrn promocionado todava esta apareado con el electrn del estado fundamental; sin embargo en el estado triplete, los espines de los electrones se han desapareado y por tanto estn paralelos. El estado triplete excitado es menos energtico que el estado singulete excitado.

fotnEstado singulete fundamental Estado singulete excitado

Estado singulete excitado, demayor energa

Estado triplete excitado

Espn del electrn y de los estados excitadosLas propiedades de una molcula en el estado triplete excitado difieren significativamente de las del estado singulete excitado. Por ejemplo, una molcula es paramagntica en el estado triplete y diamagntica en el estado singulete. Ms importante es el hecho de que una transicin singulete/triplete o viceversa, que tambin supone un cambio en el estado electrnico, es un suceso menos probable que la correspondiente transicin singulete/singulete. Como consecuencia, el tiempo de vida media de un estado triplete excitado puede variar desde 10-4 hasta varios segundos, mientras que el tiempo de vida media para un estado singulete excitado es de 10-8 a 10-5 segundos. Adems, la probabilidad de que tenga lugar la excitacin inducida por radiacin de una molcula en el estado fundamental a un estado triplete excitado es muy baja, y los picos de absorcin debidos a este proceso son varios rdenes de magnitud menos intensos que los correspondientes a las transiciones anlogas singulete/singulete

Estado singulete excitado

T1

Estado triplete excitado

(10-9 s)Estado singulete excitado (10-15 s)

(10-4 s - 10)

Estado singulete fundamental

So

S2

So

S1No radiantes

Diagrama de niveles de energa parcial para un sistema fotoluminiscente (diagrama de energa de Jablonski)

(10-12 s)

(I, Br)

Estado singulete excitado

T1

Estado triplete excitado

(10-9 s)Estado singulete excitado (10-15 s)

(10-4 - 10 s)

(10-12 s)

Estado singulete fundamental

So

S2

So

S1

No radiantes

DESACTIVACIN DEL ESTADO EXCITADO: El camino ms propicio hacia el estado fundamental es aquel que minimiza el tiempo de vida del estado excitado.

Espectro de excitacin y de emisin de fluorescencia de la quinina en cido sulfrico 0.5 M

Variables que afectan a la fluorescencia

Rendimiento cuntico o eficiencia cuntica (): Es la relacin entre el nmero de molculas que emiten luminiscencia respecto al nmero total de molculas. El rendimiento cuntico de fluorescencia para un compuesto se puede calcular a partir de las constantes de velocidad relativas por los que el estado singulete excitado se desactiva (fluorescencia, cruce entre sistemas, conversin externa, conversin interna, predisociacin y disociacin).

La magnitud de kf, kpd y kd dependen de la estructura qumica del compuesto. El resto de las constantes depende del entorno y en menor medida de la estructura qumica.

Tipos de transiciones en fluorescencia

s*p*EnergaLa es mayor para las transiciones p* p porque tienen un tiempo de vida ms corto que las otras transiciones y es menos probable que ocurran los procesos de desactivacin que compiten con la fluorescencia.

n p s

*

*> 250 nmfotn

Fluorescencia y estructura 1) Los compuestos que contienen grupos funcionales aromticos con transiciones p* p de baja energa son los que presentan florescencia ms intensa. 2) Los compuestos que contienen grupos carbonilo en estructuras alifticas y alicclicas o estructuras con dobles enlaces altamente conjugados, tambin pueden presentar fluorescencia, pero el nmero de estos compuestos es pequeo comparado con los aromticos. 3) La mayora de los hidrocarburos aromticos no sustituidos son fluorescentes en solucin. La eficacia cuntica aumenta con el nmero de anillos y su grado de condensacin.

NO FLUORESCENTESH N O S N

Piridina

Furano

Tiofeno

Pirrol

FLUORESCENTESH N N N

Quinolina

Isoquinolina

Indol

Efecto de los sustituyentes en la fluorescencia del bencenoCOMPUESTO Benceno Tolueno Propilbenceno FRMULA C 6 H6 C6H5CH3 C 6 H5 C3 H7Longitud de onda de fluorescencia (nm) Intensidad de fluorescencia relativa

270 310 270 320 270 320

10 17 17

FluorobencenoClorobenceno Bromobenceno Yodobenceno Fenol

C 6 H5 FC6H5Cl C6H5Br C 6 H5 I C6H5OH

270 320275 345 290 280 -----285 365

107 5 0 18

In fenolatoAnisol Anilina In anilinio

C6H5OC6H5OCH3 C6H5NH2 C6H5NH3+

310 400285 345 310 405 ------

1020 20 0

Acido benzoicoBenzonitrilo Nitrobenceno

C6H5COOHC6H5CN C6H5NO2

310 390280 360 -------

320 0

Otras variables que afectan a la fluorescencia

1) Rigidez estructural

2) Temperatura: Aumenta la probabilidad desactivacin por conversin externa.

de

3) Disminucin de la viscosidad: Aumenta la probabilidad de desactivacin por conversin externa. 4) Disolvente: Disminuye la fluorescencia por disolventes que tienen tomos pesados como tetrabromuro de carbono, yoduro de etilo.5) pH: La fluorescencia de un compuesto aromtico con sustituyentes cidos o bsicos, depende del pH. 6) Oxgeno disuelto: Disminuye la fluorescencia porque favorece el cruce entre sistemas y la conversin de las molculas excitadas al estado triplete. 7) Concentracin

Rigidez estructural

Fluoreno

Bifenilo

Eficiencia cuntica: 1.0

Eficiencia cuntica: 0.2

Efecto del pH

H H N: H H + N H H + N H H N+ H

Formas resonantes de la anilina in anilinio

Efecto de la concentracin en la fluorescencia La potencia de la emisin fluorescente F es proporcional a la potencia radiante del haz de excitacin absorbido por el sistema: F = K (Po - P) c muy elevada; A 0.05

Cuando Po es constante

F=KcConcentraciones elevadas provocan la autoabsorcin y el apagamiento que son factores responsables de las desviaciones negativas de la linealidad.

Espectros de emisin y excitacin Desplazamiento de Stokes