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 Stato metastabile (Energia accumulata dalla molecola) Molecola Diseccitazione (Emissione) Molecola Emissione per FLUORESCENZA (o fosforescenza) Eccitazione (Assorbimento)

Struttura elettronica e roto-vibrazionale di una 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 Stati elettronici eccitati 4 eV 3 104 cm-1 300 nm 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 DE ~ 0.1 eV ( 800 cm-1 , 12 µm) Struttura rotazionale di una molecola biatomica Rotazione della molecola intorno agli assi Livelli energetici quantizzati Ej = B J(J+1) J 5 4 3 2 1 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 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

Energia del fotone emesso  Energia fotone assorbito 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 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 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)