Espectroscopia de Luminiscencia Molecular y Atómica: Fundamentos y Aplicaciones

Espectroscopia de Luminiscencia Molecular

5. Fluorescencia y Fosforescencia

Son métodos de espectroscopia de luminiscencia molecular empleados para medir la cantidad de luz emitida por las moléculas. Existen dos formas de generar luminiscencia:

1. Fotoluminiscencia: Se irradia luz sobre la muestra y las moléculas más sensibles a esa radiación emitirán luz a una λ diferente. Existen dos técnicas: fluorescencia y fosforescencia.
2. Quimioluminiscencia: A través de reacciones químicas se genera un producto que emite luz espontáneamente.

Fundamento de la Espectroscopia de Fluorescencia

En el siguiente fundamento, tenemos una pareja de electrones en orbitales antienlazantes con espín opuesto. Uno de los electrones, por absorción de luz con la que se irradia la muestra, pasa a un nivel superior de energía, conservando su espín, contrario al de su compañero. Este es el singulete excitado. Puede ocurrir que uno de los electrones varíe y gire con el mismo espín: triplete excitado.

Con el singulete excitado tiene lugar la fluorescencia: bajo la lámpara UV hay emisión de luz, y esta para cuando la lámpara se apaga; es decir, cesa la emisión cuando cesa la radiación.

Cuando se pasa al triplete excitado puede haber fosforescencia: la emisión continúa aunque cese la radiación de la luz UV.

Los electrones vuelven al estado fundamental de dos formas:

1. Emitiendo luz: fosforescencia.
2. Descendiendo por niveles vibracionales: fluorescencia.

Aunque haya moléculas con propiedades de fluorescencia y fosforescencia, algunas pueden volver a su estado fundamental sin emitir luz debido a la conversión interna o externa de sus electrones (choque de moléculas, estados vibracionales...).

6. Eficacia Cuántica y Factores que la Influencian

Eficacia cuántica (k'): nº moléculas luminiscentes / nº total moléculas. Relación entre el número de moléculas que emiten fluorescencia (los electrones vuelven a su estado fundamental por emisión de luz) con respecto al número total de moléculas excitadas.

k' está influenciada por:

1. Estructura química de la molécula: Las moléculas favorables son aquellas con electrones en orbitales no enlazantes, con muchos dobles enlaces que se pueden deslocalizar. En los hidrocarburos aromáticos, la fluorescencia es mayor cuanto mayor sea el número de anillos y más condensados estén.
2. Rigidez estructural: A mayor rigidez, mayor fluorescencia. Una menor rigidez favorece las conversiones internas.
3. Temperatura y viscosidad del disolvente: a) A menor temperatura, mayor fluorescencia, porque el número de colisiones es menor, y por lo tanto, menos moléculas vuelven a su estado fundamental. b) A mayor viscosidad, mayor fluorescencia, porque el número de colisiones entre moléculas será menor.
4. pH de la disolución: Favorece la formación de especies resonantes.
5. O₂ disuelto: Los dos electrones de la capa externa están desapareados, por eso el O₂ presenta propiedades paramagnéticas que podrían afectar a los cruzamientos entre sistemas y conversiones al estado triplete excitado.
6. Concentración: Cuando la concentración es diluida, la fluorescencia depende directamente de la concentración. Desde el punto de vista matemático, existe una relación lineal entre la fluorescencia y la concentración (que se pierde para 2,303 * ε_λ * b * c > 0,05). Desde el punto de vista químico: a) Si la concentración es mayor, se favorece el choque entre las moléculas y se pierde eficacia cuántica. b) Si la concentración es muy alta, se puede producir reabsorción: la energía emitida por las moléculas es absorbida por ellas mismas (sería necesario diluir la muestra).

Espectroscopia de Absorción Atómica

8. Lámpara de Cátodo Hueco

Es la fuente de radiación empleada en espectroscopia de absorción atómica. Posee un ánodo de wolframio (aguanta temperaturas muy altas) y un cátodo hueco que contiene el metal a determinar.

Sobre la lámpara se aplica un potencial, que genera una corriente en su interior de 5-20 mA; con esta intensidad se ioniza el gas noble (Ne o Ar), el cual arranca el metal del cátodo hueco y lo pasa al estado excitado, produciendo la emisión de luz a la misma λ característica de cada metal. Esto hace que la técnica sea muy selectiva (ya que, cuanto mayor sea la intensidad alcanzada (mayor potencial aplicado), mayor será la potencia de luz emitida, por lo que el método será más sensible, pero la lámpara se gastará antes).

En el vapor atómico que se genera, los iones se mueven en todas las direcciones, provocando un efecto Doppler. En consecuencia, la línea espectral se hará más ancha.

Cuando apagamos la lámpara, los átomos vuelven al cátodo, algunos se depositan en el ánodo y es cuando la lámpara se va gastando. Hay que esperar a que las lámparas se calienten para que lleguen a su temperatura óptima de trabajo.

9. Corriente Capacitativa y Faradaica

Corriente Faradaica: Transferencia de electrones cuando se produce una oxidación y/o reducción.

Corriente Capacitativa: Las cargas positivas se reducen en el electrodo y lo tenemos cargado negativamente. Si el electrodo está cargado negativamente, al añadir el electrolito soporte se depositan iones positivos en su superficie. La sustancia positiva coge electrones para dar una sustancia neutra. La sustancia positiva es la susceptible a reducirse y las otras son las cargas positivas del electrolito soporte. Se llena toda la superficie de electrones y otras cargas positivas. En la interfase existe una zona de cargas negativas y otra de positivas.

La diferencia de potencial provoca la corriente capacitativa, corriente eléctrica indeseable (área de “ruidos” en el equipo).

Si la corriente capacitativa es muy intensa, tapa a la faradaica.