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introductory lecture on fluorescence
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Propriet della fluorescenza
Tempo di vita dello stato eccitato
kr= costante di decadimento radiativo
kn.r.= costante di decadimento attraverso i processi non radiativi
Tempo di vita dello stato eccitato
tkktkk
nrr
t
nrr
nrrnrr
nrrnrr ee
tkkdtkkd
dtkkd
kkdt
d
)(
011
)(
01
1
01
1
0
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]N[ 1
1
1
11
1
]N[]N[]N[
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)(]N[
]N[ln)(
]N[
]N[
)(]N[
]N[]N)[(
]N[
1
01
Eccitazione IMPULSATA (d di Dirac)
kr= costante di decadimento radiativo
kn.r.= costante di decadimento attraverso i processi non radiativi
[N1]= concentrazione di molecole nello stato eccitato
Tempo di vita dello stato eccitato
nrr
t
tkk
kkeNNeNN nrr
1
][][][][ 011)(
011
0
0.5
1
0 10 20 30 40 50
=10 ns
[N1]/[N
1] 0
o F
/F0
Time (ns)
0.01
0.1
1
0 10 20 30 40 50
=10 ns
[N1]/[N
1] 0
o F
/F0
Time (ns)
t
r eFFNkF
01][
min. msns PF
N.B. dipende anche da knr
Resa quantica di un processo di rilassamento
assorbiti fotoni
emessi fotoni
idecadiment totale
radiativi idecadiment
F
nrr
rF
kk
k
10 j
i
i
jj
k
k
idecadiment totale
j processo il tramiteidecadiment
Resa quantica di fluorescenza
1j
j
Sperimentalmente, per molecole organiche, si trova
11115
1915
1010
1010
sks
sks
nr
r
rk
FFF
F
F
r
F
nr
F
Fr
FrF
nrr
F
nrr
rF
kkk
kkkkk
k
1111
1
1,1-dietil-2,2-cianina Chem. Phys Lett. 1986 130: 426.
0
0.2
0.4
0.6
0 0.5 1 1.5 2
Resa
quantica
(ns)
T=84 K
T=298 K10
8
109
1010
1011
100 150 200 250 300
kr
knr
k (
s-1
)
T (K)
Competizione tra processi radiativi e non radiativi
rnr kk
1
nrr
rF
kk
k
rnr kk
0
nrr
rF
kk
k
Molecola non fluorescente Molecola molto fluorescente
N.B. ogni singola molecola decade in un modo o nellaltro
Fluorescenza vs Fosforescenza
Fluorescenza: S1 ->S0
Fosforescenza: T1->S0
kr(fluor.)>>kr (fosf.)
Tipicamente (fluor.)>>(fosf.)
Tipicamente (fluor.)ns; (fosf.)s
Solo alcune molecole sono fluorescenti: fluorofori Questa una limitazione, ma anche un vantaggio per sensibilit e selettivit
La brillanza dipende dal coefficiente di estinzione molare e dalla resa quantica
Minore probabilit di transizioni radiative Maggiore probabilit di conversione intersistema
Rigidit e resa quantica
Processi non radiativi inibiti Geometria di S0 ed S1 simile elevati fattori FC
Fluorofori naturali
Quantum yields: Phe 0.03 Tyr 0.14 Trp 0.13
Fluorescenza intrinseca di
proteine
Green Fluorescent Protein (GFP)
Proteina isolata da una medusa fluorescente (Aequorea victoria).
Sequenziata nel 1992, espressa nel 1994. Fluoresce nel verde! Il cromoforo formato da una ciclicizzazione
autocatalitica dei residui Ser65, Tyr66, Gly67.
2008 Chimica
GFP Poich la formazione del fluoroforo autocatalitica, la proteina
pu essere espressa in qualunque cellula e rimane fluorescente. In questo modo, creando delle proteine di fusione, possibile
marcare in modo selettivo qualunque proteina di interesse, in vivo.
Esistono molti mutanti con fluorescenza di diversi colori. Espressione genica, localizzazione, etc. Nota: questa proteina un cilindro di circa 2.4 x 4.2 nm
(perturbazione!)
Conseguenze del diagramma di Jablonski
Spostamento di Stokes
La luce emessa ha sempre energie minori di quella assorbita.
Stokes e la scoperta della fluorescenza (1852)
It was certainly a curious sight to see the tube instantaneously lighted up when plunged into the invisible rays: it was literally darkness visible. Altogether the phenomenon had something of an unearthly appearance. Stokes, G. G. Philos. Trans. 1852, 142, 463562.
Chinino: farmaco antimalarico estratto dalla corteccia dellalbero della china usato fin dallantichit in Per meccanismo dazione ancora non chiaro. molto amaro, veniva mischiato insieme al gin, acqua, zucchero nelle
colonie inglesi: gin & tonic, acqua tonica.
I am almost inclined to coin a word, and call the appearance fluorescence, from fluorspar, as the analogous term opalescence is derived from the
name of a mineral.
Luce bianca UV
Fluorite (CaF2, fluoruro di calcio) Il nome (da cui deriva quello del fluoro) ha due possibili origini
dal latino: fluere che significa fluire, per il suo utilizzo come fondente in metallurgia (per rimuovere le impurezze ed aumentare la fluidit del metallo fuso);
dai minatori del Medioevo che la chiamavano fiore minerale per la sua bellezza. La luminescenza deriva dalla presenza di impurezze di terre rare.
Perch fluorescenza? Che centra il fluoro?
E fosforescenza?
Deriva dal greco (luce) e (portare)
Sin dallantichit, i materiali che, dopo essere stati illuminati, continuavano ad emettere luce, venivano chiamati fosfori.
Nel 1677 venne isolato lelemento fosforo (dallurina), a cui venne dato questo stesso nome perch, quando esposto allaria, brucia spontaneamente, rilasciando vapori luminescenti (ma si tratta di chemiluminescenza)
Regola di Kasha Lo spettro di emissione
indipendente dalla lunghezza donda di eccitazione
Spiegazione:Lemissione avviene sempre dal livello vibrazionale fondamentale di S1
Eccezione: azulene Emette da S2 per la grande differenza energetica tra S2 ed S1
Regola di Vavilov
La resa quantica di fluorescenza indipendente dalla lunghezza donda di eccitazione
Spiegazione:
Lemissione avviene sempre dal livello vibrazionale fondamentale di S1
Conseguenze: Regola dellimmagine speculare
Lo spettro di emissione pu essere limmagine speculare di quello di assorbimento.
Vale se le curve di energia elettronica dello stato eccitato e fondamentale sono simili.
7-amminonaftalene-1,3-disolfonato di sodio (ANDA)
Rispettata
Violata
Perilene