Espectrometria de luminescência molecular

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1 Espectrometria de luminescência molecular Luminescência molecular Fotoluminescência Quimiluminescência fluorescência fosforescência

2 Espectrometria de luminescência molecular Luminescência molecular Fotoluminescência Quimiluminescência fluorescência fosforescência Excitação é feita pela absorção de fótons. Produção de luz quando a energia de excitação é proveniente de uma reação química

3 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

4 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

5 Spin eletrônico Estado singlete excitado (Fluorescência) Estado singlete (Fundamental) Estado triplete excitado (Fosforescência) Estados excitados singlete e triplete são responsáveis pela produção dos fenômenos de fluorescência e fosforescência.

6 Fluorescência x Fosforescência FLUORESCÊNCIA Transição singlete singlete Processo RÁPIDO ( s) FOSFORESCÊNCIA Transição triplete singlete Processo LENTO ( s) NÃO ENVOLVE MUDANÇA DE SPIN ENVOLVE MUDANÇA DE SPIN

7 Diagrama de energia molécula fotoluminescente típica

8 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

9 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.

10 Processos de desativação conversão interna Singleto-Singleto Tripleto-Tripleto 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

11 Exemplo Espectros de excitação e de emissão de fluorescência para uma solução de quinino

12 Processos de desativação conversão externa Conversão externa Não radiativa interação e transferência de E entre moléculas excitadas e solvente Supressão por colisão número de colisões com a T ou viscosidade: fluorescência

13 Processos de desativação cruzamento intersistema Cruzamento intersistema Alteração spin do e - do estado excitado (alteração multiplicidade) Sobreposição de níveis vibracionais: eficiência Espécies paramagnéticas favorecem o fenômeno: fluorescência

14 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

15 Rendimento quântico fótons emitidos fótons absorvidos ~1 molécula altamente fluorescente k f k i k ec k f k ic k pd k d estrutura química k f = constante de velocidade de 1ª ordem para a relaxação por fluorescência k i = para o cruzamento intersistema; k ec = para conversão externa; k ic = para conversão interna; k pd = para pré-dissociação; k d = para dissociação

16 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 O 2 dissolvido Variáveis que afetam a fluorescência Estrutura molecular Ambiente químico Esses fatores também determinam a intensidade de emissão e quando a luminescência irá ocorrer

17 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.

18 Estrutura Heterocíclicos simples como piridina, furano, tiofeno e pirrol não fluorescem intensidade em compostos com anéis fundidos

19 Substituição A substituição no anel benzênico causa deslocamento nos dos máximos de absorção e mudanças correspondentes nos picos de emissão de fluorescência. eficiência quântica

20 Substituição Efeito de átomo pesado cruzamento intersistema para o estado tripleto A substituição no anel benzênico causa deslocamento nos dos máximos de absorção e mudanças correspondentes nos picos de emissão de fluorescência. eficiência quântica

21 Rigidez estrutural Fluorescência é favorecida em moléculas com estruturas rígidas Fluoreno (alta fluorescência) Bifenil (baixa fluorescência) 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

22 Temperatura Eficiência quântica temperatura freqüência de colisões entre moléculas probabilidade de desativação por conversão externa

23 Solvente viscosidade facilidade de conversão externa intensidade de fluorescência Solventes com átomos pesados diminuem a fluorescência: átomo pesado favorece o estado triplete (cruzamento intersistemas)

24 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)

25 ph Meio básico Formas adicionais de ressonância dão mais estabilidade ao primeiro estado excitado Apresenta fluorescência na região do ultravioleta Formas ressonantes da anilina

26 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)

27 Oxigênio dissolvido Facilita o cruzamento intersistemas (conversão das moléculas excitadas ao estado triplete): a fluorescência Outras espécies paramagnéticas também tendem a suprimir a fluorescência