Fluoreszentzia

Fluoreszentzia luminiszentzia mota partikular bat da, energia erradiazio elektromagnetiko moduan absorbatzeko gaitasuna duten eta gero energia hori uhin-luzera ezberdineko erradiazio elektromagnetiko moduan emititzeko gaitasuna duten sustantziak ezaugarritzen dituena.

Argi moduan emititzen den energia totala absorbatutako energia totala baina txikiagoa da beti eta bien arteko diferentzia hori bero moduan askatzen da. Kasu gehienetan emititutako uhin-luzera handiagoa da absorbatutakoa baino eta beraz, energia baxuagokoa. Hala ere, eszitazioaren erradiazioa intentsua bada, elektroi batek bi fotoi absorbatzeko gaitasuna izango du. Nahiz eta absortzio bifotoniko honetan emititutako uhin-luzera absorbatutakoa baina txikiagoa den, bi kasuetan emititutako energia totala absorbatutakoa baina txikiagoa izango da.

Orokorrean, sustantzia fluoreszenteek uhin-luzera txikiko erradiazio elektromagnetiko moduan absorbatzen dute (adib. Gamma izpiak, X izpiak, UV, argi urdina, etab.) eta gero energia hori emititzen dute uhin-luzera handiago batekin. Adibidez, argi ikuskorreko espektroak.

Fluoreszentziaren adibide nabarmenenak ematen dira absorbatutako argia espektroko ultramorearen tartean dagoenean eta emititutako argia argi ikuskorraren tartean.

Fluoreszentzia tipikoaren mekanismoa hiru pausutan bana daiteke: absortzioa, disipazio ez erradiaktiboa eta emisioa.

Ziklo guztia oso laburra da eta nanosegundu batzuetan ematen denez, bat-bateko prozesua dela esan daiteke. Denbora labur honek desberdintzen du fluoreszentzia fosforeszentziarengandik (beste fenomeno luminiszente ezagunena). Gainera, fluoreszentziaren mekanismoa kimioluminiszentziaren prozesuarekin erlazionatuta dago.

Erradiazio mota desberdinen eszitazioaren ondorioz argia emititzeko gaitasuna duten substantziei fluoroforo deritze. Fluoreszentziaren bidez kolore ugari lor daitezke, konposatu fluoreszenteak emititutako argiaren uhin-luzeraren arabera.

Fluoreszentziaren fenomenoek aplikazio praktiko ugari dituzte: gemologia, mineralogia, sentsore kimikoetan, pigmentu eta pinturetan, detektore biologikoetan eta lanpara fluoreszenteetan adibidez.

Historia 

1560an Bernardino de Sahagún-ek fluoreszentziaren behaketa goiztiar bat deskribatu zuen eta geroago Nicolas Monadres-ek 1565ean, lignum nephriticum bezala ezagutzen den infusio batean. Infusio hau bi espezie desberdinetako zuhaitzetatik deribatu zen, Pterocarpus indicus eta Eysenhardtia polystachya zuhaitzetatik hain zuzen ere. Fluoreszentzia honen erantzule den konposatu kimikoa matlalina da. Konposatu hau zuhaitz horien egurrean aurkitzen den flabonoideetako baten oxidazioz lortzen den produktua da.
 
Edward D. Clarke-k 1819an eta René Just Haüy-ek 1822an fluoreszentzia fluoritetan deskribatu zuten. Geroago, 1833an, sir David Brewster-ek fenomeno hau deskribatu zuen klorofilan eta 1845ean sir John Herschel-ek berdina egin zuen kininarekin.
 
Argiaren uhin luzeren aldaketei buruzko 1852ko artikulu batean, George Gabriel Stokes-ek fluoritek eta uranio kristalek argi urdineko espektro ultramore ikuskorreko ertzetik haratago dagoen argi ikusezina aldatzeko duten gaitasuna deskribatu zuen. Fenomeno honi fluoreszentzia deitu zion. Izen hau fluoritatik (kaltzio difluoruroa) deribatua izan zen. Fluoritak lagin batzuetan europio dibalentearen arrastoak ditu eta argi urdina emititzen duen aktibatzaile fluoreszente moduan balio du. Funtsezko esperimentu batean prisma bat erabili zuen erradiazio ultramorea eguzki argitik banatzeko eta kininazko etanol disoluzio batek emititzen zuen argi urdina aztertu zuen.

Mekanismoa

Aurrekontsiderazioak 
Fluoreszentziaren mekanismoa ondo ulertzeko beharrezkoa da orbital atomikoaren eta orbital molekularraren kontzeptuak berrikustea.
Atomo baten elektroiak orbital desberdinak betez antolatzen dira, hau da, nukleoaren inguruan dauden eskualdeetan kokatzen dira hauek aurkitzeko probabilitatea baitago. Energia baxuko eta altuko orbitalak existitzen dira. Elektroiek beti nahiagoko dute hutsik dauden energia baxuko orbitalak betetzea. Hala ere, honek ez du esan nahi ezin dituztenik energia altuagoko orbitalak bete.

Trantsizio elektronikoak 
Elektroi bat energia baxuko orbital batetik energia altuagoko orbital batera pasatzeko beharrezkoa da energia-diferentzia hori kanpoko ekarpen baten bidez konpentsatzea. Atomo bakoitzarentzat bi orbitalen arteko energia-diferentzia hori konstantea izango da (energia kuantizatuta dagoelako) eta energia-kantitate zehatz hori irabaziz edo galduz mugituko dira orbitalen artean. Prozesu hau trantsizio elektroniko gisa ezagutzen da. Atomo monoelektronikoen kasuan, atomo bakoitzaren absortzio lerroak eta emisio lerroak bereizgarriak izango dira, hau da, energia fotoi moduan absorbatzeko edo emititzeko gaitasuna izango dute uhin-luzera jakin batzuetan. Atomo hauetan, espektroen lerroak oso definituta daude orbital desberdinen trantsizioen arteko energia-diferentzia oso zehatza delako.

Espektro molekularrak 
Atomoak molekulak osatzeko elkartzen direnean, beraien orbital atomikoak desagertzen dira, birkonbinatu egiten baitira orbital molekularrak emateko. Orain elektroiak hainbat nukleoren inguruan aurkitzeko probabilitatea izango dugu. Orbital atomikoen konbinaketa modu linealean gertatzen da. Bi atomo elkartzen badira eta hauetako bakoitzak lau orbital atomiko baditu, emaitza moduan molekulak zortzi orbital molekular izango ditu. Orbital molekular hauek konbinatzeko erabili diren orbitalen bitarteko energia edukiko dute. Egoera hau nahastuagoa egongo da molekulak atomo gehiago dituenean. Ondorioz, oso sinpleak diruditen molekulek orbital molekular asko izango dituzte eskuragarri trantsizio elektronikoak emateko. Hau molekulek absortzio- eta emisio-bandak dituztelako gertatzen da eta ez lerroak. Banda hauek molekula barnean ematen diren orbitalen arteko trantsizioek sortzen dituzten lerro askoren super-posizioaren ondorioz sortzen dira.

Kontsideratu behar dugu molekulek errotazioengatik, bibrazio termikoengatik… deformazio estrukturalak jasaten dituztela. Molekula baten forma aldatzen denean hau osatzen duten orbital molekularren forma ere aldatuko da, eta ondorioz, hauen energia.

Oinarrizko egoeran dagoen molekula batean elektroi asko singlete moduan daude, hau da, orbital bereko eta spin antiparaleloa duen beste elektroi batekiko osagarria da. Ohiko trantsizio elektronikoetan, singlete bateko elektroiak energia altuagoko orbital batera salto egiten du, doblete baten egoera hartuz. Egoera honetan bere spina ez da spin antiparaleloa duen beste elektroi batekiko osagarria.

Beste motako trantsizioak gerta daitezke: doblete egoerako bi elektroi beste bi orbital degeneratuetara pasa daitezke triplete egoera bat hartuz, non beraien spinak paraleloak izango diren. Spinen trantsizioek argi moduan absorbatu edo emititu dezakete energia.

Oinarrizko mekanismoa eta Jablonskiren diagrama 
Jablonskiren diagrama molekula baten orbitalen mailen eta trantsizio elektroniko posibleen arteko irudikapen sinplea da. Bertikalki egoera elektronikoak bere energiarekiko taldekatzen dira eta horizontalki bere spinaren multiplizitatearekiko. Trantsizio igorleak lerro zuzenen bidez irudikatzen dira eta ez igorleak lerro ondulatuekin.

Eskubiko irudian Jablonskiren diagrama modifikatu bat ikusten dugu non molekula hipotetiko batek ezaugarri hauek azalduko dituen: S0 oinarrizko energia, energia altuko bi maila elektroniko (S1, S2) eta spin paraleloak dituzten bi orbital degeneratu (triplete, T1). Maila hauetako bakoitzak hainbat azpi-maila bibrazional ditu molekularen deformazio termikoen ondorioz (Vb). Kasu honetan horizontalki denbora dugu eta ez spinaren multiplizitatea. Gezi bertikalak energi absortzio eta emisioak izango dira fotoi moduan eta gezi diagonalek energiaren disipazioa azaltzen dute bero moduan.

Prozesua S0 egoeran dugun elektroi bat S2 energi altuagoko egoera bibrazional batera pasatzean hasiko da (Vb lerro altuena). Aldaketa hau molekulak energia absorbatzen duenean gertatzen da, orokorrean fotoi moduan. Bibrazionalki kitzikatuta dagoen elektroi honek bere energiaren zati bat molekula osora transmititu dezake bibrazio moduan (NR gezi horia). Energia honek molekularen bibrazioen anplitudea handituko du eta azkenean beste molekulekin elkarrekintzan jartzean bero moduan disipatuko da.

Elektroia eskailera batean bezala egoera bibrazional desberdinen artean erortzen joan daiteke eta eskailera bakoitzean bere energiaren zati bat bero moduan askatuko du, molekularen bibrazioak handituz. Bere energia guztia soilik behin eman dezake eta modu honetan maila baxuenera joango da fotoi bakar moduan (gezi berde bertikala).

Teorikoki posible izango litzateke elektroia egoera bibrazional altu batetik S0 egoerara pasatzea, baina praktikan hau ez da gertatzen, molekulak oso azkar absorbatutako energiaren zati bat beste orbitaletara transmititzen baitu barne birkonbinatze energetiko baten bitartez. Prozesu hau oso azkar gertatzen da (10-15 seg) eta horregatik elektroiarentzat ezinezkoa da jasotako energia totala birtransmititzea. Ondorioz, emititutako argiaren energia txikiagoa izango da eta uhin-luzera jasotakoa baina handiagoa.

Denbora pasa ahala, energia gehiago galtzen da prozesu ez-igorleengatik eta handiagoa da emititutako argiaren uhin-luzera. Orokorrean egoera eszitatuan dauden elektroi guztiak S0 egoerara pasako dira argia emitituz (FE) edo prozesu ez-igorleen bidez energia galduz (NR). Prozesu hauek fluoreszentzian gertatzen dira 10-9 segundutan.

Hala ere, hainbat molekulen orbital degeneratuek egoera eszitatutan dauden molekulen antzeko energia dute. Kasu honetan, energia altua duen elektroi batek bere energiaren zati bat S0 egoeran dagoen beste elektroi bati eman diezaioke. Horrela bi elektroi desparekatu sortuko dira bitarteko energia duten bi orbital degeneratuetan (triplete egoera). Triplete egoera metaegonkorra da eta dobleteen trantsizioekin konparatuz denbora askoz existitu daiteke. Lehen kasuan denbora horiek zentesima eta orduen artekoa izan daitezke. Egoera honetan dauden elektroiek spinak parekatzen dituztenean, energia hori argi moduan igortzen dute eta fosforeszentziaren fenomenoa gertatzen da.

S1 egoera baten erlaxazioa beste molekula batekin interakzionatzen duenean gerta daiteke eta hau fluoreszentziaren desaktibazio gisa ezagutzen da. Kasu honetan kitzikatutako molekulak beste molekulari igortzen dio energia eta azken honek bero moduan disipatzen du. Oxigeno molekularra (O2) oso ona da fluoreszeina molekuletatik desaktibatzen, bere triplete egoera dela eta.

Azkenik, argiaren absortzioagatik edo beste prozesu ezberdin batengatik (erreakzio kimiko bat) kitzikatutako molekula batzuek energia hau molekulen arteko intersistema mekanismo baten ondorioz sentsibilizatutako molekula bati pasa diezaioke. Mekanismo honi esker, bigarren molekula egoera elektroniko kitzikatu batera pasako da eta fluoreszentzia igorriko du. Kasu honetan kitzikatutako erradiazioaren energiaren eta emititutako energiaren arteko desberdintasuna oso handia da. Mekanismo hau energia altuko erradiazio nuklearren bidez argi ikuskorra sortzeko erabiltzen da.

Printzipio fisikoak

Fosfokimika 
Laburbilduz, fluoreszentzia molekula, atomo edo nanoestruktura bat elektronikoki kitzikatua izan ondoren bere oinarrizko egoerara bueltatzen denean ematen da.

Eszitazioa:

 

Fluoreszentzia (emisioa):

 

Hemen,  terminoa fotoiaren energia adierazteko erabiltzen da, h = Planck-en konstantea eta  = frekuentziaren konstantea.

S0 molekula fluoreszentearen oinarrizko egoera da eta S1 honen lehen egoera elektroniko kitzikatua.

Egoera elektroniko hauetaz gain, orbital molekular desberdinetako molekularen lotura elektroien kokapenarekin bat dator eta egoera bibrazional desberdinak existitzen dira orbital molekular hauentzat. Egoera hauek loturen inguruan molekula osatzen duten atomoek jasaten duten oszilazioei dagozkie.

Egoera bibrazional altuek energia bero moduan xahutu dezakete inguruko molekulen bibrazio kopurua handituz.

Elektronikoki eszitatua dagoen molekula batek, S1, energia maila baxuagoko egoera lortu dezake mekanismo desberdinen bidez. Adibidez, “gainbehera ez igorle” bat jasan dezake eszitazio energiaren zati handi bat bero moduan gastatuz (bibrazioak). Molekula organiko kitzikatuak ere erlaxatu daitezke triplete egoera hartuz eta energia beste orbital molekular batera igorriz. Horrela erdi-mailako energia duten bi orbital lortzen dira. Azkenean orbital hauetako bat erlaxatu egingo da eta argia igorriko du fosforeszentziaren bidez edo ahultze pauso ez igorle baten bidez.

Errendimendu kuantikoa 
Prozesu fluoreszente baten errendimendu kuantikoa mekanismoaren eraginkortasuna interpretatzeko modu bat da.
Igorritako eta absorbatutako fotoi kantitatearen arteko proportzio bezela definitzen da.

 

Beraz, fluoreszentziaren errendimendu kuantiko maximoa 1 (%100) da, hau da, absorbatutako fotoi bakoitza igorritako fotoi bat izango da. Hala ere errendimendu kuantikoa 0,10 duten konposatuak nahiko fluoreszenteak kontsideratzen dira.

Mekanismo fluoreszente baten erreendimendu kuantikoa definitzeko beste modu bat tasen bidezkoa da non kitzikazio egoera ahultzen den:

 

non  erradiazioren igortze espontaneoaren tasa den eta  gainbehera tasa guztien batura. Kitzikatze egoeren gainbehera tasen beste arrazoi bat fotoien igortzearekiko desberdinak diren mekanismoen ondorioa da eta tasa ez-igorleak deritze.

Azken hauen artean gehitu daitezke: kolisio dinamikoaren ondoriozko desaktibazioa, erresonantzia energiaren transferentzia eta barne konbertsioa. Beraz, gainebehera tasa aldatzerakoan eragina izango du bai kitzikatze egoeraren denboran bai eta fluoreszentziaren errendimendu kuantikoan.

Fluoreszentziaren errendimendu kuantikoa patroi batekin konparatuz neurtzen da, besteak beste, azido sulfurikoan disolbatutako kininaren sulfato gatzarekin. Hori da fluoreszentzia neurtzeko erabiltzen den ohiko patroia.

Bizitza denbora 
Fluoreszentziaren bizitza denbora fotoi bat igorri aurretik molekulak eszitazio egoeran ematen duen denbora da.

Normalean lehen ordeneko zinetika jarraitzen du:

 

non   denboran eszitazio egoeran dauden molekulen kontzentrazioa den,  hasierako kontzentrazioa eta T gainbehera tasa edo fluoreszentzia bizitzaren alderantzizko denbora.

Gainbehera exponentzial baten adibidea da. Prozesu igorle eta ez-igorleek egoera kitzikatua deusezta dezakete. Kasu horretan, tasa guztien batura gainbehera tasa da:

 

non  gainbehera tasa totala den,  gainbehera igorlearen tasa eta  gainbehera ez-igorlearen tasa.

Ekuazioa lehen ordeneko erreakzio kimiko baten antzekoa da, non lehen ordeneko tasa konstantea tasa guztien batura den. Igortze espontaneoaren tasa edo beste edozein tasa azkarrak badira bizitza denbora motza da.

Jablonskiren diagrama 
Jablonskiren diagramak erlaxazio mekanismo gehienak deskribatzen ditu molekula eszitatuentzat. Horrez gain, diagramak ere erakusten du nola gertatzen den fluoreszentzia molekula baten elektroi eszitatuen erlaxazioaren ondorioz.

Anisotropia fluoreszentea 
Fluoroforoek fotoien bidez eszitatzeko aukera handiagoa izango dute fluoroforoaren trantsizio momentua fotoiaren bektore elektrikoarekiko paraleloa denean. Emititutako argiaren polarizazioak trantsizio momentuaren menpe ere egongo da. Trantsizioa ematen den momentua fluoroforoaren orientazio fisikoarekiko dependentea da. Disoluzioan dauden fluoroforoentzat honek esan nahi du emititutako argiaren intentsitatea eta polarizazioa difusio errotazionalaren menpekoa dela. Ondorioz, anisotropia neurketak erabilgarriak izan daitezke aztertzeko nola mugitzen den partikula fluoreszente aske bat ingurune jakin batean.

Kuantitatiboki honela defini daiteke:

non  argi eszitatuaren polarizazioarekiko paraleloa den emititutako intentsitatea den eta  argi eszitatuaren polarizazioarekiko perpendikularra den emititutako intentsitatea.

Arauak 
Zenbait arau existitzen dira fluoreszentziaren jokaera aurreikusteko.

Kasha-Vavilov araua 
Kasha-Vavilov arauak dio luminiszentziaren errendimendu kuantikoa independentea dela erradiazio kitzikatzailearen uhin-luzerarekiko. Fluoreszentziaren emisioa gertatu aurretik, molekula eszitatuak egoera eszitatuko maila bibrazional baxueneraino desintegratzen direlako gertatzen da hau.

Molekula sinple askok ez dute arau hau betetzen, beraz, fluoreszentzia espektroak erradiazio uhinaren luzerarekiko dependentzia txikia duela esatea egokiagoa da.

Ispilu irudiaren araua 
Fluoroforo askorentzat absortzio espektroa emisio espektroaren ispilu irudia da. Fenomero hau ispilu irudiaren araua bezala ezagutzen da eta Franck-Condon-en printzipioari dago lotuta. Printzipio honen arabera, trantsizio elektronikoak bertikalak dira, hau da, energia aldatu egiten da distantzia aldatu gabe eta horregatik da marra bertikala Jablonskiren diagraman. Honek esan nahi du nukleoa ez dela mugitzen eta egoera eszitatuko bibrazio mailak oinarrizko egoerako bibrazio mailen antzekoak direla.

Stokes aldaketa 

Orokorrean, emititutako argi fluoreszenteak absorbatutako argiak baina uhin-luzera handiagoa eta energia baxuagoa dauka. Stokes aldaketa izeneko fenomeno hau fotoi bat absorbatzen den momentuaren eta emititzen den momentuaren arteko energia galeraren ondorioa da . Stokes aldaketaren magnitudeak eta kausak konplexuak izan daitezke eta fluoroforoaren eta honen ingurugiroaren menpeko izan daitezke. Hala ere, ohiko kausa batzuk badaude: kasu askotan, egoera eszitatuko maila bibrazional baxuenerako gainbehera ez igorlearen ondorioa da. Beste faktore bat fluoreszentziaren emisioak fluoroforo bat egoera orokorreko maila bibrazional altuago batean uzten duela da.

Aplikazioak 
Konposatu natural eta sintetiko asko existitzen dira fluoreszentzia erakusten dutenak. Aplikazio praktiko asko dituzte, apaingarri izatetik kimika analitikoko aplikazioetan erabiltzera, adibidez FPIA (Fluorescence Polarization ImmunoAssay). Naturan organismo asko daude fluoreszentzia erabiltzen dutenak, kimioluminiszentzia batez ere, elikagaiak edo bikotelaguna (ipurtargien kasuan bezala) erakartzeko edota etsaia uxatzeko. Fluoreszentzia-fenomenoaren uhin-luzera isotropikoa denez, eguzki-argiaren izpien eraginpean dauden objektuak argiztatzeko erabiltzen da, horretarako maiz konposatu fluoreszenteak erabiltzen dira, naturan karbohidrato moduan erauzi eta industria-prozesuen bitartez eraldatu eta gero.

Iluminazioa 
Ohiko hodi fluoreszentea fluoreszentziaren araberakoa da. Beirazko hodiaren barnean hutsune bat dago merkurio pixka batekin. Hodiarengan deskarga elektriko bat askatzeak merkurio atomoak argia askatzea eragiten du. Argi hau ultramore (UV) tartean aurkitzen da eta hori dela eta ikusezina da gure begientzat, baina hodia fosforo izeneko material fluoreszente batez estalita dago. Honek ultramore argia xurgatu eta espektro ikuskorrean igortzen du.

Iluminazio fluoreszentea energetikoki askoz eraginkorragoa da teknologia goria baino, baina sortzen den espektroak zenbait kolore artifizialak izatea eragiten du. Hau espektroaren igortzea jarraia ez delako da, espektroa uhin luzera mugatu batzuez osatuta dagoelako (emisio lerroak).

1990. urtean, LED argi zuriaren teknologia ezaguna zen eta honek antzeko prozesu baten bitartez funtzionatzen du.

Dispositibo hauetan igorle erdieroaleak argia eragiten du espektroaren zati urdinean, non honek txip-ean dagoen konposatu fluoreszente batekin talka egiten duen eta fluoreszente honek espektroaren tarte berde eta gorrian igortzen du.

Fluoreszentean zehar igarotzen den argi urdinaren eta honek igorritako argiaren arteko konbinaketaren ondorioz argi ia zuria sortzen da.

Lanpara fluoreszente konpaktuek edozein ohiko hodi fluoreszentek bezala funtzionatzen du eta hainbat abantaila ditu. Aplikazio askotan lanpara goriak ordezkatzeko erabiltzen da. Lanpara hauek lanpara goriek baina lau aldiz bero gutxiago produzitzen dute lumen bakoitzeko eta gainera, bost aldiz gehiago irauten dute. Lanpara hauek merkurioa dute eta kontu handiz maneiatu behar dira. Balastro bat edukitzearen desabantaila edozein argi aparailuetara egokitzen ez direla da. Lanpara goriekin konparatuz, lanpara fluoreszente guztiek atzerapen nabarmen bat izaten dute pizten direnean eta hau desabantaila bat izan daiteke hainbat aplikazioetarako. Lanpara hauen erabilera onartzen duen teknologiak bere bizitza erabilgarria eta fidagarritasuna nabarmenki murrizten du kasu batzuetan.

Kimika analitikoa 

Fluoreszentzia monokromadore baten bitartez detekta daiteke, eraginkortasun handiko likido-kromatografietan aurkitzen diren konposatuen ohiko emisioak antzemateko. Gainera, TLC baten bitartez produzitutako orban batzuk ikustea ahalbidetzen du konposatuak edo errebelatzaileen erreaktiboak fluoreszenteak direnean.

Fluoreszentzia eraginkorragoa da atomoen proportzio handi bat energia maila baxuetan dagoenean, Botzmannen distribuzio moduan. Horrela, probabilitate handiagoa egongo da energia maila baxuko atomoak eszitatzeko eta, aldi berean, fotoiak askatzeko, analisi eraginkorrago bat lortuz.

Adibidez, hatz markak ninhidrina bezalako konposatu fluoreszente batzuen bitartez antzeman daitezke.

Erreferentziak

Ikus, gainera 
 Fosforeszentzia
 Kimioluminiszentzia
 Born-Oppenheimerren hurbilketa

Kanpo estekak 

Espektroskopia
Fluoreszentzia
Fotokimika