Espectroscopia de Fluorescencia

Saludos amigos, nuevamente quiero compartir con toda la comunidad científica de steemit, en especial la comunidad científica pionera de habla hispana STEM-Espanol una nueva entrega sobre técnicas de espectroscopia, en esta ocasión hablaré acerca de la Espectroscopia de fluorescencia. Pero antes de entrar en materia voy a plantear ciertas interrogantes importantes que sirven de ayuda para poder entender mejor este tema, estas preguntas serán respondidas durante el transcurso de la publicación. Las cuales son:

^{Attribution-ShareAlike 3.0 Unported (CC BY-SA 3.0)}

¿Qué es la fluorescencia?
¿Qué es la espectroscopia de fluorescencia?
¿Cómo podemos medir y Cómo funciona un espectrómetro de fluorescencia?
¿Qué podemos obtener de un espectro de fluorescencia?
¿Cuáles son sus aplicaciones?

Lo primero que debemos saber es en qué consiste la espectroscopia. En entregas anteriores hablaba de que Raman fue el precursor de este fenómeno que posteriormente se desarrollaron diferentes técnicas para poder analizar diversos materiales.

Wiki nos dice lo siguiente acerca del concepto de espectroscopia:

La espectroscopia o espectroscopía es el estudio de la interacción entre la radiación electromagnética y la materia, con absorción o emisión de energía radiante. Tiene aplicaciones en astronomía, física, química y biología, entre otras disciplinas científicas.

Si bien es cierto este estudio tiene un sinfín de aplicaciones, es sumamente importante conocer cómo se puede realizar estos estudios. A lo largo de las últimas semanas me he encargado de explicar cada una de las técnicas espectroscópicas que en la actualidad han servido como base del desarrollo de la ciencia. Todavía faltan por conocer muchas técnicas más, el área de la ciencia de los materiales abarca mucho contenido. La caracterización de materiales cuando nos referimos a estudio estructurales abarca muchas técnicas con diferentes estudios entre ellos, DRX y por supuesto espectroscopia.

Creo que pasaría toda la vida publicando sobre ciencias de los materiales :D. Por ello les aseguro que todavía tenemos mucha tela que cortar y los temas no acabarán.

Ahora bien, vamos a entrar en materia referida a esta publicación que es lo que de verdad nos interesa por los momentos. Para responder la primera interrogante podemos decir lo siguiente:

La fluorescencia muchos sabemos que es aquel proceso donde un objeto o material emite luz visible, este proceso de emisión es ocasionado por la irradiación electromagnética para luego emitir esa energía en forma de radiación electromagnética con una longitud de onda distinta. Cabe destacar que muchas personas se refieren a la irradiación de la luz ultravioleta para poder obtener fluorescencia, pero no es así siempre!.

Un ejemplo que encontré en un texto hace algún tiempo atrás nos decía que un ejemplo claro de esta situación es cuando tenemos un trazador Rubrene, este es activado por una luz verde además de la ultravioleta, lo que quiere decir es que no necesariamente se necesita solo la luz ultravioleta porque algunas veces puede emitir o no la luz.

Para hablar y entender de fluorescencia debemos conocer un poco sobre teoría de bandas. Lo que tiende a ocurrir cuando la luz es absorbida por un material aumenta la banda de energía de los electrones de un estado a otro, es decir de un nivel inferior a una superior con mayor excitación. Estos electrones liberan toda la energía absorbida necesaria para poder emitir la luz, pero en cierto espacio pierden una cantidad de energía debido a las vibraciones que existen durante este fenómeno, luego que regresan al estado inicial donde comenzó todo, estos electrones emiten la luz. Un ejemplo claro de cómo ocurre este proceso se muestra en la siguiente figura.

^{Proceso de fluorescencia}

Pero ¿qué es la Espectroscopia de fluorescencia?

En primer lugar, nosotros debemos tener un objeto el cual vamos aplicarle fluorescencia, se excita este material a través de la absorción de un fotón de luz desde un nivel o estado inicial en el cual se encontraba en reposo, llamado estado basal, hasta niveles electrónicos donde los electrones están excitados. Podría decirse que en el medio de estos dos niveles electrónicos ocurre la fluorescencia como se muestra en la figura anterior. Las colisiones moleculares causan que la molécula que se encuentra más excitada tienda a perder gran parte de su energía de vibración, hasta alcanzar un nivel de vibración mucho menor que el estado excitado.

Cuando la molécula dentro del material desciende a los niveles electrónicos del estado inicial, esta emite un fotón durante este proceso. Es importante saber que las moléculas pueden dirigirse a niveles de vibración muy bajos en el estado inicial o basal, ya que los fotones presentan diferentes energías y por consiguiente diferentes frecuencias. Y es acá donde se centra este tipo de estudio porque al obtener por medio del análisis de los espectros las diferentes frecuencias de luz emitidas de la muestra de acuerdo con sus correspondientes intensidades, es posible determinar estructuralmente los diferentes estados de vibración o modos vibracionales.

En un próximo post mostraré un experimento básico que se realiza a estudiantes de pregrado en licenciatura en física pura, donde nosotros medimos la fluorescencia de diversas frecuencias emitidas por un gas específico, en este experimento se debe mantener la luz de excitación a cierta longitud de onda constante, llamado espectro de emisión. Finalmente podemos obtener el espectro de emisión usando diferentes longitudes de onda mediante un registro de espectros de gases.

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Para medir la fluorescencia de un material suelen usarse los siguientes equipos, el primero es el Fluorómetros de filtro tiene la función de aislar la luz incidente y fluorescente a través de sus filtros. El Espectrofluorómetros usan monocromadores como todas las técnicas de espectroscopia, este tiene un particular retículo de difracción que ayuda al aislamiento tanto de la luz fluorescente como incidente.

^{Esquema experimental de un equipo de medida de fluorescencia}

Estos dos tipos de instrumentos se basan en el esquema anterior, en primer lugar, debemos tener una fuente de luz y un sistema de selección de longitud de onda de excitación. Cuando la muestra es excitada con radiación de energía apropiada emite radiación en todas las direcciones del espacio. No obstante, la luz emitida se detecta mejor en ángulo recto con respecto al haz de excitación ya que se evitan problemas de dispersión de la luz y también el haz de luz excitante que es de mucha mayor intensidad que el haz de luz emitida. La luz emitida es recogida seleccionando una longitud de onda apropiada y conducida a un detector donde queda registrada por sistemas similares a los de un espectrofotómetro de absorción.

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Si bien para obtener medidas de fluorescencia se usa más la XRF (fluorescencia de rayos x) a través de estos espectros podemos realizar un análisis cuantitativo y cualitativo muy detallado de las concentraciones del material.

Estos análisis se pueden realizar perfectamente con la técnica de fluorescencia de rayos X, a pesar de que aún no he publicado un artículo acerca de este tema voy a explicar resumidamente y más adelante hablaré en profundidad del mismo.

Quizás ustedes se puedan preguntar ¿entonces no estamos desviando de la espectroscopia, porque hablamos de rayos X? en sí no...! Es importante acotar que de igual forma a través de este método obtenemos un espectro y en detalle es que me estoy centrando para responder la interrogante que plantee al principio del post.

Entonces de un espectro de fluorescencia podemos realizar un análisis cuanti y cualitativo, con el espectro de emisión característico es bastante sencillo y la emisión de RX viene dada por las reglas de selección que ya están definidas a través de la teoría de la mecánica cuántica.

La emisión de energía de los rayos X es transformada a cierta longitud de onda, la cual es única para cada elemento, como he reiterado en varias ocasiones es su huella dactilar, esto nos permite hacer énfasis en la identificación de los elementos que están dentro del material. Al nosotros utilizar la energía o longitud de onda de los rayos X emitidos para la identificación de elementos, la intensidad de los rayos X permite el análisis cuantitativo.

^{Espectro de iluminación fluorescente con picos de emisión numerados Wiki, license CC BY-SA 3.0}

Importante destacar que en el análisis las intensidades son directamente proporcionales a las concentraciones de cada elemento, es decir mientras más intensidad tenga la emisión o fluorescencia es mayor la cantidad del elemento.

Para la cuantificación elemental en una muestra se requieren de estándares; eso es, un determinado elemento en algún material en concentraciones conocidas. Los estándares se utilizan para hacer una comparación directa con la muestra a analizar. Esto se realiza mediante la comparación con una curva de calibración.

Dato importante
Wiki dice lo siguiente:

A bajas concentraciones, la intensidad de fluorescencia va a ser generalmente proporcional a la concentración de fluoróforo. En oposición a la espectroscopia UV / visible ‘estándar’, los espectros indistintamente del dispositivo, no son fáciles de conseguir. Varios factores influyen y distorsionan el espectro, y son necesarias correcciones para conseguir espectros verdaderos, es decir, espectros, obtenidos indistintamente del dispositivo. Los diferentes tipos de distorsiones van a ser clasificados aquí como cualquier instrumento o pariente de la muestra. Primeramente, la distorsión raíz del instrumento es discutida. Para empezar, la intensidad de luz de la fuente y características de la longitud de onda varían con el tiempo durante cada experimento y entre cada experimento. Además, la no lámpara tiene una intensidad constante en todas las longitudes de onda. Para corregir esto, un disociador de rayo llamado monocromador o filtro puede ser aplicado después de la excitación, el cual se utiliza para dirigir una porción de luz a un detector referencia.

Esto quiere decir que al momento de realizar las medidas en primer lugar se debe calibrar bien el espectrómetro, una forma fácil es obtener un espectro ya conocido y hacer comparaciones con otro espectro y poder observar si existe distorsión alguna. Y a su vez nos menciona debemos esperar un tiempo indicado al realizar una medida de un material a otro, podría decirse que es una especie de reposo del instrumento para evitar fallas en posteriores mediciones.

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La espectroscopia de fluorescencia tiene diversas aplicaciones, es muy usada para análisis médicos, químicos, bioquímicos. En medicina es muy usado para identificar y diferenciar tumores malignos de los benignos. A su vez en la identificación de diferentes compuestos orgánicos.

Las técnicas de espectroscopia atómica de fluorescencia son practicadas en otros tipos de análisis, y medición de un compuesto presente en el aire, en el agua o en otro medio, como CVAFS que es usado para la detección de metales pesados, como el mercurio. También puede ser usado para re direccionar fotones.

Para finalizar puede acotar que esta técnica tiene una gran ventaja sobre la absorción,

La primera es que posee una sensibilidad con órdenes de magnitud de 1 y 3, a su vez posee un intervalo de respuesta lineal muy numeroso.

Aunque la fluorescencia es menos usada que la absorción debido a la capacidad que tiene algunos elementos de presentar fluorescencia es muy eficaz, sin embargo, también es importante acotar que los equipos usados para la espectroscopia de fluorescencia son bastantes costosos.

Y esto es todo por esta ocasión.

Para más información

^{Espectroscopia}

^{Fluorescencia}

^{Fluorescencia de rayos X}

^{Fluorescencia de Rayos X}

^{Efecto Raman}

^{Espectroscopía: la interacción de la luz y la materia}

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Saludos Carlos