Principios de análisis instrumental

354 Capítulo 15 Espectrometría molecular por luminiscencia «< efectos de interferencia. Por esta razón, las mediciones de lumi– niscencia se combinan con técnicas de separación como la cro– matografía y la electroforesis. Los detectores de fluorescencia son particularmente valiosos como detectores para cromatografía de líquidos (capítulo 28) y electroforesis capilar (capítulo 30). En general, los métodos de luminiscencia se aplican menos en el análisis cuantitativo que los métodos por absorción porque la cantidad de especies que absorben radiación ultravioleta/visible (UV), es mucho mayor que la de especies que manifiestan foto– luminiscencia tras la absorción de radiación en esta región del espectro. 1 15A TEORÍA DE LA FLUORESCENCIA Y LA FOSFORESCENCIA La fluorescencia se produce en sistemas químicos gaseosos, líqui– dos y sólidos; tanto simples como complejos. El tipo más simple de fluorescencia es el que manifiestan los vapores atómicos dilui– dos, tema que se trata en el capítulo 9. Por ejemplo, los electrones 3s de los átomos de sodio vaporizados pueden excitarse para pasar al estado 3p cuando absorben radiación de longitudes de onda de 589.6 y 589.0 nm (véase la figura 8.l a) Después de aproximada– mente 10- 8 s, los electrones vuelven al estado fundamental y emi– ten radiación de estas dos mismas longitudes de onda en todas las direcciones. Este tipo de fluorescencia, en la cual la radiación absorbida se vuelve a emitir sin cambio de frecuencia, se conoce como radiación de resonancia o fluorescencia de resonancia. Muchas especies moleculares también muestran fluorescencia de resonancia, pero lo más frecuente es encontrar bandas de fluo– rescencia o de fosforescencia molecular centradas en longitudes de onda más largas que la línea de resonancia. Este desplazamiento hacia longitudes de onda más largas, o menores energías, se deno– mina desplazamiento Stokes (véase la sección 6C.6). 15A.1 Estados excitados que producen fluorescencia y fosforescencia Las características de los espectros de fluorescencia y fosforescen– cia se pueden explicar mediante las consideraciones que se expli– can en la sección 14B.1 sobre orbitales moleculares. Sin embargo, para comprender la diferencia entre los dos fenómenos fotolumi– niscentes se requiere un repaso del espín del electrón y las diferen– cias entre los estados excitados singulete/triplete. Espín del electrón El principio de exclusión de Pauli establece que no hay dos elec– trones en un átomo cuyos cuatro números cuánticos sean iguales. Esta restricción requiere que no más de dos electrones ocupen 'Si desea estudiar más acerca de la teoría y las aplicaciones de la fluorescencia, fosforescencia y luminiscencia, véase D. M. )ameson, lntroduction lo Fluorescence, Boca Raton, FL: Taylor y Francis, 2014; ). R. Lakowicz, Principies of Fluorescence Spectroscopy, 3a. ed., New York: Springer, 2006; Molecular Luminescence Spectros– copy, S. Schulman, ed., New York: Wiley, parte 1, 1985; parte 2, 1988; parte 3, 1993; E. L. Wehry, en Physical Methods ofChemistry, 2a. ed., vol. VIII, cap. 3, B. W. Ros– siter y R. C. Baetzold, eds., New York: Wiley, 1993. un orbital y, además, el espín de cada uno debe ser opuesto al del otro. En estas condiciones, se dice que los espines están apareados o emparejados. Debido al apareamiento de los espines, la mayoría de las moléculas no presenta un campo magnético neto, por eso se dice que son diamagnéticas; es decir, no son atraídas ni repelidas por campos magnéticos estáticos. Por el contrario, los radicales libres que contienen electrones desapareados poseen un momento magnético y, por consiguiente, los atrae un campo magnético. Se dice que los radicales libres son paramagnéticos. Estados excitados singulete/triplete Un estado electrónico de una molécula en el cual todos los espi– nes de los electrones se aparean se llama estado singulete, y cuando la molécula se expone a un campo magnético no se produce una división de niveles energéticos. Por otro lado, el estado funda– mental de un radical libre es un estado doblete, porque hay dos orientaciones posibles que puede tomar el electrón impar en un campo magnético, lo cual proporciona ligeras diferencias de ener– gía al sistema. Cuando uno de los electrones de una molécula se excita y pasa a un nivel de energía superior, se forma un estado singulete o tri– plete excitado. En el estado singulete excitado, el espín del electrón promovido continúa emparejado con el electrón del estado funda– mental. En el estado triplete excitado, sin embargo, los espines de los dos electrones ya no forman una pareja y, por tanto, son para– lelos; es decir, tienen la misma dirección. Estos estados se pueden representar como se observa en la figura 15.1, donde las flechas representan la dirección del espín. La nomenclatura de singulete, doblete y triplete procede de consideraciones espectroscópicas de multiplicidad, que en este caso no interesan. Tenga en cuenta que el estado triplete excitado es menos energético que el correspon– diente estado singulete excitado. Las propiedades de una molécula en el estado triplete exci– tado difieren significativamente de las del estado singulete excitado. Por ejemplo, una molécula es paramagnética en el estado triplete y diamagnética en el singulete. Más importante, es que una tran- 1 ¡ + ¡ j 1 1 Estado singulete Estado singulete Estado triplete fundamental excitado excitado a) b) e) FIGURA 15.1 Estados electrónicos del espín de moléculas. En a) se ilustra el estado electrónico fundamental. En el estado energético más bajo, es decir, el fundamental, los espines siempre está n apa– reados, por lo que se dice que el estado es singulete. En b) y e) se muestran los estados electrónicos excitados. b) Si los espines siguen apareados en el estado excitado, la molécula está en un estado sin– gulete excitado. e) Si los espi nes ya no están apareados, la molécula está en un estado triplete excitado.