Fluorescenza e fosforescenza
Lezione di
R.G. Agostino
• Prerequisiti:
– Struttura elettronica e roto-vibrazionale delle molecole
– Accoppiamento Russel-Saunders e j-j
– Regola di Hund
• Testo consigliato: P.W. Atkins, Physical Chemistry - O.U.P., cap. 17
Fluorescenza e fosforescenza
• Schema riassuntivo della lezione
– Richiami sulla struttura elettronica e roto-vibrazionale delle molecole
– Richiami di interazione radiazione e.m. materia
– Meccanismo di creazione di uno stato eccitato per assorbimento di un
fotone nelle molecole
– Canali di diseccitazione e tempi tipici
– Definizione di fluorescenza e fosforescenza
– Accenni sulle applicazioni
Fluorescenza e fosforescenza
Laser
Molecola
Molecola
Molecola
Emissione per
FLUORESCENZA
(o fosforescenza)
Eccitazione
Stato metastabile
Diseccitazione
(Assorbimento)
(Energia accumulata
dalla molecola)
(Emissione)
Struttura elettronica e roto-vibrazionale
di una molecola
Struttura elettronica di una
molecola biatomica
Stati elettronici
eccitati
Il potenziale di interazione dipende dalla
distanza fra gli atomi
Gli stati elettronici hanno distanza di
equilibrio propria
4 eV
3 104 cm-1
300 nm
Stati di singoletto e di tripletto
Stato elettronico
fondamentale
Distanza di legame
Struttura elettronica e roto-vibrazionale
di una molecola
Struttura vibrazionale di una molecola biatomica
Deformazione della molecola per allungamento
Livelli energetici quantizzati
En = (n+1/2) hw
n
5
4
3
2
1
0
Struttura rotazionale di una molecola biatomica
DE ~ 0.1 eV
( 800 cm-1 , 12 µm)
J
Rotazione della molecola intorno agli assi
Livelli energetici quantizzati
Ej = B J(J+1)
5
4
3
2
1
0
B ~ 0.01 eV
( 80 cm-1, 120 µm)
Unità di misura e costanti
Energia di un fotone
E = hn = hc/l
dove:
h = costante di Plank (6.62 10-34 J s)
c = velocità della luce (3 108 m/s)
E = energia di 1 fotone [J = 1.6 10-19 eV]
l = lunghezza d'onda della radiazione [m]
n = frequenza della radiazione [Hz]
1 eV = 8000 cm-1
(l = 800 nm)
Eccitazione per assorbimento di un
fotone (principio di Franck-Condon)
Assorbimento di un fotone DE = hnin
=> Transizione elettronica indotta
Dal livello fondamentale
ad un livello elettronico eccitato
in uno stato roto-vibrazionale eccitato
Probabilità di
posizione relativa
Regole di selezione
DL=±1
DS=0 (nessuna transizione fra stati di SINGOLETTO e stati di TRIPLETTO)
DJ=0, ±1 tranne per J=0
Transizione verticale
Nuclei immobili durante la transizione (10-15 s)
Probabilità di
posizione relativa
Decadimento non-radiativo
(termalizzazione)
Urti con altre molecole
Livelli roto-vibrazionali: dallo stato eccitato allo stato
fondamentale (nel livello elettronico eccitato)
Energia ceduta per aumentare la temperatura del sistema
Tempi di diseccitazione (10-9 s)
Dipendenti da temperatura e ambiente molecolare
Diseccitazione radiativa:
FLUORESCENZA
Emissione di un fotone DE = hnfl
=> Transizione elettronica spontanea
Dal livello roto-vibrazionale fondamentale
del livello elettronico eccitato
ad stati roto-vibrazionali eccitati del livello elettronico
fondamentale
Tempi tipici 10-15 s
Termalizzazione finale
Urti con altre molecole
Livelli roto-vibrazionali: dallo stato eccitato allo stato
fondamentale (nel livello elettronico fondamentale)
Tempi di diseccitazione (10-9 s)
dipendenti da temperatura e
ambiente molecolare
FLUORESCENZA
Emissione di fluorescenza
Energia del fotone emesso  Energia fotone assorbito
hnfl  hnin
Emissione non monocromatica
Transizione verso stati roto-vibrazionali eccitati
(Possibilità di effettuare spettroscopia)
Tempo totale di durata del fenomeno 10-9 - 10-8 s
Eccitazione di stati di Tripletto
(Intersystem crossing)
Transizione elettronica in uno
stato di TRIPLETTO (Spin allineati)
proibita dalle regole di selezione
Se c’è un forte accoppiamento spinorbita (atomi pesanti) la regola di
selezione è meno rigida
Se le curve di energia potenziale si
intersecano
Possibilità di transire fra uno stato
eccitato di SINGOLETTO ed uno di
TRIPLETTO durante la termalizzazione
Diseccitazione di stati di tripletto
FOSFORESCENZA
La transizione spontanea ha probabilità bassa
=> Tempi di diseccitazione lunghi (Secondi)
Energia intrappolata in uno stato metastabile
Energia del fotone emesso sempre minore
dell’energia del fotone incidente
FLUORESCENZA:
influenza dell’intorno molecolare
Attenuazione dell’intensità di FLUORESCENZA
Fenomeni dissipativi non radiativi:
Urti con molecole,
Urti con pareti metalliche
Intensità di
fluorescenza
in una soluzione
Intensità
Concentrazione ottimale
Concentrazione
Transizioni in stati di tripletto
(Intersystem crossing)
Diminuzione della probabilità di fluorescenza
Quenching
Urti con molecole (O2 e I-) capaci di assorbire
l’energia in eccesso
Foto-dissociazione e foto-chimica
(bleaching)
L’energia in eccesso è utilizzata da altre molecole
per dissociarsi o per attivare reazioni chimiche
FLUORESCENZA:
metodi per l’uso della fluorescenza
Uso di marcatori fluorescenti per Molecole di interesse biologico
=> Possibilità di seguire i fenomeni in-situ in tempo reale
ESEMPIO: Lo studio dell’evoluzione
di proteine in ambiente acquoso è
reso possibile dalla fusione con una
proteina fluorescente verde (GFP)
estratta da una medusa (Aequorea
victoria). Da Nature 338 (1997)
Moto della molecola S65T kinesin-GFP lungo un canale (microtubule) in presenza di
1 mM di adenosinatrifosfato (ATP) rivelato grazie ad un microscopio a fluorescenza
FLUORESCENZA:
metodi per l’uso della fluorescenza
Applicazioni:
Dermatologia (diagnosi dei difetti della cute e delle infezioni (tinea, vitiligine))
Immunologia (Rivelazione di batteri in coltura con marcanti fluorescenti)
Immunoreumatologia (Presenza di microcristalli nei liquidi sinoviale)
Oncologia (Fluorescenza risolta in tempo per la diagnosi)
Medicina del lavoro (Analisi di tracce di metalli pesanti - fino alle atto-moli)