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
Eccitazione
(Assorbimento)
Emissione per FLUORESCENZA
(o fosforescenza)
Stato metastabile
(Energia accumulata dalla molecola)
Molecola
Diseccitazione
(Emissione)
Molecola
Struttura elettronica di una molecola biatomica
Il potenziale di interazione dipende dalla distanza fra gli atomi
Gli stati elettronici hanno distanza di equilibrio propria
Stati di singoletto e di tripletto
Struttura elettronica e roto-vibrazionale di una molecola
Stato elettronico fondamentale
Stati elettronici eccitati
Distanza di legame
4 eV 3 104 cm-1
300 nm
n
5 4 3 2 1
0 E ~ 0.1 eV
( 800 cm-1 ,12 µm)
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) h
Struttura rotazionale di una molecola biatomica
Rotazione della molecola intorno agli assi Livelli energetici quantizzati
Ej = B J(J+1)
~ 0.01 eV ( 80 cm-1, 120 µm) J
5
4 3 2 1 0
Unità di misura e costanti
Energia di un fotone
E = h = hc/ dove:
h = costante di Plank (6.62 10
-34J s) c = velocità della luce (3 10
8m/s)
E = energia di 1 fotone [J = 1.6 10
-19eV]
= lunghezza d'onda della radiazione [m]
= frequenza della radiazione [Hz]
1 eV = 8000 cm
-1( = 800 nm)
Eccitazione per assorbimento di un fotone (principio di Franck-Condon)
Assorbimento di un fotone E = hin
=> Transizione elettronica indotta Dal livello fondamentale
ad un livello elettronico eccitato
in uno stato roto-vibrazionale eccitato
Regole di selezione
L=±1
S=0 (nessuna transizione fra stati di SINGOLETTO e stati di TRIPLETTO)
J=0, ±1 tranne per J=0
Transizione verticale
Nuclei immobili durante la transizione (10-15 s)
Probabilità di posizione
relativa
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 E = hfl
=> 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
h
fl h
inEmissione 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 spin- orbita (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
Transizioni in stati di tripletto Diminuzione della probabilità di fluorescenza (Intersystem crossing)
Quenching Urti con molecole (O2 e I-) capaci di assorbire l’energia in eccesso
Foto-dissociazione e foto-chimica L’energia in eccesso è utilizzata da altre molecole (bleaching) per dissociarsi o per attivare reazioni chimiche
Intensità
Concentrazione
Concentrazione ottimale
Intensità di fluorescenza in una soluzione
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
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 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)
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)
