Análise Instrumental

Análise Instrumental 1

Luminescência Molecular


luminescência → fenômeno de emissão de radiação eletromagnética por um material

fluorescência → luminescência instantânea (cerca de 1 ns) da matéria após a excitação com a radiação UV ou visível

fosforescência → luminescência retardada da matéria após excitação com energia de uma radiação UV ou visível.

quimiluminescência → luminescência promovida por uma reação química.

Fluorescência e a fosforescência → processo de excitação → absorção de fótons (fotoluminescência).

Luminescência por moléculas → as bandas de fluorescência (ou fosforescência) ocorrem tipicamente em um l maior que a linha de ressonância (deslocamento de Stokes).



A medida da intensidade de fotoluminescência ou quimiluminescência permite a determinação quantitativa de uma variedade de espécies orgânicas e inorgânicas importantes em concentrações muito baixas (traços).

Vantagens:

Limites de detecção - uma a três ordens de grandeza menores que a absorção (ppb).

Extensa faixa de concentração linear -significativamente maior que as encontradas em métodos de absorção.

Desvantagens:

↑ sensibilidade - efeitos de interferência das matrizes das amostras - normalmente, as medições de luminescência estão associadas com técnicas de separação da cromatografia e da eletroforese.

aplicação menos ampla – maioria das espécies absorve radiação UV/Vis do que emite.



Velocidades de Absorção e emissão:

absorção de fótons → ocorre instantaneamente (10-14 a 10-15s).

emissão de fluorescência → ocorre em 10-9 a 10-5s.

fosforescência → ocorre em10-4 a 10s ou mais (em virtude da transição de spin singlete-triplete diferente da transição singlete-singlete da fluorescência).

Luminescência MolecularTeoria da fluorescência e fosforescência


Estados excitados que produzem fluorescência e fosforescência

A velocidade média de uma transição triplete a singlete é menor que a correspondente transição singlete a singlete.

A emissão fosforescente requer tempos entre 10-4 e 10s ou superiores.



Processos de desativação

O caminho mais propício para o estado fundamental é aquele que minimiza o tempo de vida do estado excitado.

Processos radiativos Fluorescência → relevância analítica Fosforescência.

Processo não-radiativos Relaxação vibracional (10-12 s)

Colisões entre as moléculas excitadas e as moléculas do solvente eliminam excesso de energia, atingindo o menor nível vibracional.

Conversão internaProcessos intermoleculares pelos quais a molécula passa para um estado eletrônico de menor energia sem emissão de radiação.

Conversão externa (extinção por colisão)A desativação de um estado eletrônico excitado envolve a transferência de energia entre a molécula excitada e o solvente ou outros solutos. Condições que reduzem o número de colisões (baixa temperatura e alta viscosidade) aumentam a emissão.



Fluorescência - ocorre em sistemas químicos gasosos, líquidos e sólidos simples, bem como em sistemas complexos.

◦ Fluorescência de ressonância: lemis = labs. Observada mais para espécies atômicas que moleculares.

◦ Fluorescência com deslocamento Stokes: lemis > labs. O físico Irlandês George Gabriel Stokes, verificou que o fóton absorvido perdia energia por inúmeras vibrações microscópicas.




Linhas horizontais grossas → estados eletrônicos

- estado fundamental: S0 (normalmente singlete)

- excitados: S1 e S2 (singletes) e T1 (tripletes)

Linhas horizontais finas → estados vibracionais

- associados ao estado fundamental: S0

- associados aos estados excitados: S1 e S2 e T2

Flechas verticais retas → indicam processos associados a absorção ou emissão de radiação (fluorescência ou fosforescência)

Flechas verticais sinuosas → processos não-radiatvos (relaxação vibracional, conversão interna, etc.)


Variáveis que afetam à fluorescência e à fosforescência

• Tipos de transição

σ ← σ*: não ocorre, pois a absorção de radiação com λmax < 250 nm - desativação dos estados excitados por pré-dissociação ou dissociação;

obs: 200nm ≈ 600kJ mol-1 (energia de ligação em muitas moléculas orgânicas)

n ← p* (maior eficiência quântica) : de corrente da absorção n → p* com λmax > 250 nm – tempo de transição 10-7 a 10-5 s

p ← p*: proveniente da absorção p → p* com λmax > 250 nm – tempo de transição 10-9 a 10-7 s

obs: entre as transições promotoras da fluorescência prevalecerá a que implicar um menor tempo de vida do estado excitado e/ou for menos energética.



Variáveis que afetam à fluorescência e à fosforescência

• Rendimento quântico ou eficiência quântica (F):

É simplesmente a razão entre o número de moléculas que sofrem fotoluminescência e o número total de moléculas excitadas.

• EstruturaAinda que alguns compostos carbonílicos e alguns com estruturas de duplas ligações altamente conjugadas fluoresçam, a fluorescência mais intensa e mais útil é encontrada em compostos com grupos aromáticos com transições p p* de baixa energia.



Fluoresceína

Apresentam fluorescência

Não apresentam fluorescência


Presume-se que nestes compostos (sobretudo os nitrogenados) a transição eletrônica n → p* seja a de menor energia e que rapidamente se converte para um estado triplete suprimindo a fluorescência

Entretanto, compostos heterocíclicos condensados com anéis benzênicos exibem fluorescência → aumento da absortividade associada ao pico de absorção → diminui a vida do estado eletrônico excitado singlete



Efeito da substituição em anéis aromáticos por halogênios → efeito do átomo pesado aumenta a probabilidade de cruzamento intersistema para o estado triplete, diminuindo a eficiência quântica da fluorescência.

Iodobenzeno → não exibe fluorescência → provável pré-dissociação que deve ocorrer à presença da ligação C – I de fácil ruptura.


Influência da rigidez estrutural

Empiricamente observou-se que a rigidez da estrutura favorece a fluorescência:

Baixa rigidez → maior Kci

Propicia um aumento da desativação não-

radiativa

Diminui a fluorescência

F ≈ 0,2

Maior rigidez promovida pelo CH2 →

menor Kci

Aumenta a fluorescência

F ≈ 1



Influência do solvente, temperatura, pH e O2

↑ T + colisões intermoleculares ↑ conversão externa diminuição da fotoluminescência

solventes ↓ viscosidade geram igual efeito (supressão colisional).

Efeitos de pH podem desfavorecer a fluorescência

O2 e outras espécies paramagnéticas - ↓ fluorescência, ↑ fosforescência (cruzamento intersistemas)

solventes contendo átomos pesados ou solutos contendo tais átomos em suas estruturas interações spin-órbita cruzamento intersistemas desativação não-radiativa ↓ fluorescência, ↑ fosforescência.

Apresenta fluorescência

Não apresenta fluorescência



Influência da concentração do fluoróforo

A potência de emissão de fluorescência F é proporcional à concentração da espécie fluorescente, desde que em baixas concentrações (A < 0,05).

F = Kc

onde K é um coeficiente de proporcionalidade que depende:

- da absortividade (e) associada ao pico de absorção;

- do rendimento quântico (F) da fluorescência;- da potência do feixe incidente (Po) da

radiação excitadora;- do percurso óptico (b);



Desvios da linearidade

Altas concentrações (<0,05)

Auto-supressão (quenching)• Colisões entre moléculas excitadas provocam a

transferência de energia não-radiativa de um modo semelhante à transferência para moléculas do solvente na conversão externa.

Absorção secundária (inclui a auto-absorção)• Ocorre quando lemissão coincide com algum labsorção. O

resultado é a reabsorção da radiação por quaisquer moléculas na solução.


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