Espectrometria de luminescência molecular

Luminescência molecular

Fotoluminescência Quimiluminescência

fluorescência fosforescência

Espectrometria de luminescência molecular

Luminescência molecular

Fotoluminescência Quimiluminescência

fluorescência fosforescência

Produção de luz quando

a energia de excitação é

proveniente de uma

reação química Excitação é feita pela

absorção de fótons.

Fluorescência molecular

Substâncias que exibem fluorescência:

compostos aromáticos, alifáticos ou alicíclicos contendo carbonila ou duplas ligações

altamente conjugadas e estruturas rígidas

Características:

-alta sensibilidade

-amplo intervalo de resposta linear (F α C, soluções diluídas, A<0,05)

-interferências de matriz são relevantes

-poucas substâncias exibem fluorescência (derivação)

-detectores para cromatografia a líquido e eletroforese capilar

Spin eletrônico

O Princípio de Exclusão de Pauli diz:

Não mais que 2 elétrons podem ocupar um orbital

Os dois elétrons devem ter estados de spin opostos (spin emparelhados)

Maioria das moléculas não exibem campo magnético diamagnéticas

Radicais livres (elétrons não pareados) paramagnéticas

Estado singlete

(Fundamental)

Estado singlete

excitado

(Fluorescência)

Estado triplete

excitado

(Fosforescência)

Spin eletrônico

Estados excitados singlete e triplete são responsáveis pela produção dos fenômenos de

fluorescência e fosforescência.

Fluorescência x Fosforescência

FLUORESCÊNCIA

Transição singlete → singlete

Processo RÁPIDO (10-7 – 10-5 s)

NÃO ENVOLVE MUDANÇA DE SPIN

FOSFORESCÊNCIA

Transição triplete → singlete

Processo LENTO ( 10-4 – 10 s)

ENVOLVE MUDANÇA DE SPIN

Diagrama de energia – molécula fotoluminescente típica

Processos de desativação

O processo de desativação mais provável é o que minimiza o tempo de

vida do estado excitado.

É o tempo necessário para que a população desse estado

decaia a um valor igual a 1/e vezes o seu valor inicial

Processos de desativação – relaxação vibracional

Relaxação vibracional

Mais rápido que σ de um estado excitado

A partir do nível vibracional de E (estado excitado)

Colisões entre moléculas excitadas e solvente

Conseqüência : a banda de fluorescência para uma dada transição eletrônica é deslocada

para freqüências mais baixas ou maiores em relação à banda de absorção.

Processos de desativação – conversão interna

Conversão interna

Intermolecular: estado eletrônico de E sem

emissão

Relaxação radiativa de níveis vibracionais mais baixos de um

estado e mais altos de outro estado eletrônico

Estados eletrônicos com E próximas: maior eficiência

Singleto-Singleto

Tripleto-Tripleto

Exemplo

Espectros de excitação e de emissão de

fluorescência para uma solução de quinino

Processos de desativação – conversão externa

Conversão externa

Não radiativa interação e transferência de E entre moléculas excitadas e

solvente

número de colisões com a T ou viscosidade: fluorescência

Supressão por colisão

Processos de desativação – cruzamento intersistema

Cruzamento intersistema

Alteração spin do e- do estado excitado

(alteração multiplicidade)

Espécies paramagnéticas favorecem o fenômeno:

fluorescência

Sobreposição de níveis vibracionais: eficiência

Processos de desativação – fosforescência

Ocorre após o cruzamento intersistema

Emissão persiste mesmo após cessada a irradiação

Conversões interna e externa competem com a fosforescência:

- baixa temperatura

- meio com alta viscosidade

- moléculas adsorvidas sobre a superfície de um sólido

Rendimento quântico

dpdicecif

f

kkkkkk

k

absorvidosfótons

emitidosfótons

kf = constante de velocidade de 1ª ordem para a relaxação por fluorescência

ki = para o cruzamento intersistema; kec = para conversão externa; kic = para conversão

interna; kpd = para pré-dissociação; kd = para dissociação

~1 molécula altamente fluorescente

estrutura química

Fatores que afetam o rendimento quântico

λ radiação UV-VIS

Espectro de absorção da espécie absorvedora

pH

Concentração da espécie absorvedora

Temperatura

Solvente

Concentração de O2 dissolvido

Variáveis que afetam a fluorescência

Estrutura molecular

Ambiente químico

Esses fatores também determinam a intensidade de emissão e quando a

luminescência irá ocorrer

Fluorescência e estrutura

A fluorescência mais intensa e mais útil é encontrada em compostos contendo

grupos aromáticos funcionais com transições de baixa energia *.

Os compostos contendo estruturas alifáticas e carbonilas alicíclicas ou estruturas de

ligações duplas altamente conjugadas também podem apresentar fluorescência,

mas em menor número que nos sistemas aromáticos.

A maioria dos hidrocarbonetos aromáticos não-substituídos fluorescem em solução

e a eficiência quântica geralmente aumenta com o número de anéis e seu grau de

condensação.

Estrutura

Heterocíclicos simples como piridina, furano, tiofeno e pirrol não fluorescem

intensidade em compostos com anéis fundidos

Substituição

A substituição no anel benzênico causa deslocamento nos dos máximos de absorção

e mudanças correspondentes nos picos de emissão de fluorescência. eficiência

quântica

Substituição

A substituição no anel benzênico causa deslocamento nos dos máximos de absorção

e mudanças correspondentes nos picos de emissão de fluorescência. eficiência

quântica

Efeito de átomo pesado cruzamento intersistema para o estado tripleto

Rigidez estrutural

Fluorescência é favorecida em moléculas com estruturas rígidas

Agentes quelantes complexados com íons metálicos tem um aumento na fluorescência.

Exemplo: intensidade de fluorescência da 8- hidroxiquinolina aumenta com a adição de

zinco na solução

Fluoreno

(alta fluorescência)

Bifenil

(baixa fluorescência)

Temperatura

temperatura

freqüência de colisões entre moléculas

probabilidade de desativação por conversão

externa

Eficiência quântica

Solvente

viscosidade

facilidade de conversão externa

intensidade de fluorescência

Solventes com átomos pesados diminuem a fluorescência: átomo pesado favorece o

estado triplete (cruzamento intersistemas)

pH

Estruturas de ressonância (formas protonadas e desprotonadas)

Dependência do λ e intensidade de emissão

Controle de pH é necessário em medidas de fluorescência

Anilina

Meio ácido: íon anilínico

(NÃO TEM FLUORESCÊNCIA)

Meio básico

Formas adicionais de ressonância dão mais estabilidade ao primeiro estado excitado

Apresenta fluorescência na região do ultravioleta

Formas ressonantes da anilina

pH

Controle de pH é necessário em medidas de fluorescência

Solução de quinino em soluções tampões de pH 2 a 6

(λ excitação = 365 nm e de medida de fluorescência = 450 nm)

pH

Oxigênio dissolvido

Facilita o cruzamento intersistemas (conversão das moléculas

excitadas ao estado triplete): a fluorescência

Outras espécies paramagnéticas também tendem a suprimir a

fluorescência