La fluorescenza e la diffusione sono i fenomeni di fotoluminescenza utilizzati a scopo analitico .
Fotoluminescenza
La fotoluminescenza è il processo attraverso cui una radiazione incidente su un campione provoca emissione di una radiazione da parte del campione stesso. Dal punto di vista della meccanica quantistica questo fenomeno può essere spiegato considerando l'eccitazione ad uno stato energetico più alto, seguito dal ritorno allo stato precedente, con conseguente riemissione del fotone.
La fotoluminescenza si distingue dai fenomeni di assorbimento, perché nell'assorbimento l'energia assorbita è completamente trasformata in forme di energie diverse. Si distingue pure dai fenomeni di emissione, nei quali l'eccitazione delle unità emittenti avviene con energia termica e l'emissione di energia radiante.
Fluorescenza
Il fenomeno della fluorescenza è dovuto a un assorbimento della luce incidente da parte del campione. Avviene una successiva emissione di radiazioni di lunghezza d'onda diversa da quella incidente.
I fenomeni della fluorescenza sono noti da oltre un secolo e furono notati per la prima volta in una soluzione di clorofilla .
Il raggio della luce solare incidente tracciava un percorso indicato da un cono di luce rossa. Per comprendere l'origine della fluorescenza si consideri un vapore monoatomico di sodio. Se si illumina il vapore con una radiazione avente lunghezza d'onda compresa tra 589 e 589.6 nm che corrisponde esattamente a quella necessaria per portare gli elettroni di valenza dal livello fondamentale al primo livello eccitato, la radiazione è assorbita e poi riemessa completamente senza variazione di lunghezza d'onda.
Se, invece, l'energia della radiazione è tale da eccitare gli elettroni a un livello superiore al primo, il sistema ha la possibilità di tornare allo stato fondamentale in più stadi emettendo in tal modo quantità di luce a energia inferiore a quella incidente.
Nelle molecole non si verifica mai il fenomeno di emissione senza variazione di lunghezza d'onda, in quanto l'eccitazione di elettroni da un livello energetico all'altro avviene in realtà come passaggio da una banda di livelli rotazionali e vibrazionali associati a un livello elettronico ad un'altra banda di livelli associati a un livello eccitato rispetto al precedente. Per questo motivo una molecola poliatomica quando assorbe una singola frequenza può emettere una banda di radiazioni.
Radiazione di Stokes o antistokes
La banda di radiazioni emesse è detta radiazione di Stokes o antistokes a seconda che sia di lunghezza d'onda maggiore o minore della radiazione assorbita. Una volta avvenuta l'eccitazione dallo stato elettronico fondamentale a uno eccitato, con assorbimento dell'energia hν, il decadimento avviene parzialmente all'interno del livello elettronico eccitato, in seguito a decadimento in un livello vibrazionale inferiore.
L'energia di questo decadimento è emessa sotto forma di energia termica, mentre il decadimento elettronico è accompagnato da emissione hν'-10 g/mL e nei casi più favorevoli 10-14 g/mL.
Il maggior numero di esempi di fluorescenza si ha per composti organici per i quali si raggiungono limiti di rivelazione più elevati. I composti inorganici che esibiscono sensibile fluorescenza sono pochi: da ricordare, in particolar modo i composti contenenti il catione uranile UO2+, alcuni composti del tallio (I) e alcuni elementi delle terre rare. Il samario, l'europio e il terbio sono identificati dalla fluorescenza dei loro sali in soluzione acquosa, in concentrazioni 10-3– 10-4 M.
Analisi
L'analisi di fluorescenza nel visibile si esegue eccitando il campione mediante illuminazione con lampade ad arco di mercurio accoppiate ad un filtro che trasmette solo le radiazioni UV. Per scopi qualitativi si osserva la sostanza illuminata in ambiente buio. Poiché l'energia emessa per fluorescenza è proporzionale al numero dei centri atomici e molecolari che ne sono responsabili, sono possibili applicazioni di questi fenomeni all'analisi quantitativa. L'analisi quantitativa per fluorescenza è effettuata su soluzioni molto diluite. In tal modo tale la percentuale di energia assorbita è inferiore al 5% della luce incidente.
In queste condizioni, per l'intensità di fluorescenza It vale la relazione:
It = kIoεcφ
dove:
-
- ε è il coefficiente di assorbimento molecolare
- Io l'intensità del raggio incidente
- c la molarità della soluzione
- φ la resa quantica, definita come rapporto tra il numero di quanti emessi e il numero di quanti assorbiti.
E' essenziale alla proporzionalità tra It e c che la frazione di luce assorbita sia molto piccola. In caso contrario infatti la relazione tra It e c non risulta più lineare.
Questa condizione non limita l'utilità dell'analisi per fluorescenza perché nella maggior parte dei casi la concentrazione sufficiente a garantire la dipendenza lineare tra It e c è inferiore alla minima richiesta per quasi tutti i metodi di analisi per assorbimento. Il calcolo della concentrazione incognita di una soluzione si effettua utilizzando una curva di taratura. Si riporta It contro c. Tuttavia la misura delle It sia quelle utilizzate nella costruzione delle curve di taratura, sia quelle utilizzate nell'analisi, si effettua confrontando l'intensità di fluorescenza del campione con quello di uno standard. Si utilizza la relazione:
ccamp = Icamp cstand/ Istand
I metodi di analisi quantitativa che utilizzano i fenomeni di fluorescenza sono impiegati soprattutto per la determinazione di farmaci o sostanze di interesse biochimico.
