Principios de análisis instrumental

356 Capítulo 15 Espectrometría molecular por luminiscencia «< 15A.3 Procesos de desactivación Una molécula excitada puede volver a su estado fundamental mediante una combinación de varias etapas mecánicas. Como lo muestran las flechas verticales rectas con punta hacia abajo de la figura 15.2, dos de estas etapas, fluorescencia y fosforescencia, implican la emisión de un fotón. Las otras etapas de desactiva– ción, indicadas con flechas onduladas, son procesos no radiantes. El camino más propicio hacia el estado fundamental es aquel que reduce al mínimo el tiempo de vida del estado excitado. Por con– siguiente, si la desactivación por fluorescencia es más rápida que los procesos no radiantes, se observa tal emisión. En cambio, si una trayectoria no radiante tiene una constante de velocidad más favorable, no hay fluorescencia o es menos intensa. La fotoluminiscencia se limita a sistemas con características estructurales y ambientales que hacen que la velocidad de los pro– cesos de relajación o desactivación no radiantes disminuya hasta el punto en el que el proceso de emisión pueda competir cinética– mente con ellos. Respecto a la cuestión cuantitativa, se entienden bien los procesos de emisión, pero apenas se empiezan a com– prender los procesos de desactivación. Relajación vibracional Como se muestra en la figura 15.2, una molécula puede promo– verse para llegar a cualquiera de los diversos niveles vibracionales durante el proceso de excitación electrónico. Las colisiones entre moléculas de las especies excitadas y las del solvente ocasionan una transferencia rápida de energía y un incremento minúsculo de la temperatura del disolvente. La relajación vibracional es tan eficaz que el tiempo de vida promedio de una molécula excitada en forma vibracional es 10- 12 so menos, un periodo significati– vamente más corto que el tiempo de vida promedio de un estado excitado con medios electrónicos. Como consecuencia, la fluores– cencia de una solución siempre implica una transición desde el nivel vibracional más bajo de un estado electrónico excitado . Sin embargo, se producen varias líneas de emisión muy próximas, y la transición puede finalizar en cualquiera de los niveles vibraciona– les del estado fundamental (véase la figura 15.2). Una consecuencia de la eficacia de la relajación vibracional es que la banda de fluorescencia para una transición electrónica dada, se desplaza hacia frecuencias más bajas o longitudes de onda más largas respecto a la banda de absorción (desplazamiento Stokes). El traslape solo ocurre en el pico de resonancia rela– cionado con transiciones entre el nivel vibracional más bajo del estado fundamenta l y el nivel correspondiente de un estado exci– tado. En la figura 15.2, la longitud de onda de la radiación absor– bida que produce el pico de resonancia A, se representa como A~ Conversión interna El término conversión interna describe los procesos intermolecu– lares por los cuales la molécula pasa a un estado electrónico de más baja energía sin emitir radiación. Estos procesos no están bien definidos ni bien comprendidos, pero es evidente que son altamente eficaces. La conversión interna es un cruce entre dos estados de la misma multiplicidad (singulete-singulete o triplete-triplete). Es eficaz en particular cuando dos niveles de energía electrónicos están lo suficientemente próximos como para que haya un traslape de los niveles de energía vibracional. Esta situación se ilustra en la figura 15.2 para los dos estados singulete excitados 5 2 y 5 1 • En los traslapes que se muestran, las energías potenciales de los dos esta– dos excitados son idénticas, lo cual permite un cruce eficaz desde 5 2 y 5 1 • Asimismo, la conversión interna ocurre entre el estado 5 1 y el estado electrónico fundamental 5 0 . Por lo regular, es más pro– bable la conversión interna a través de niveles vibracionales trasla– pados, que la pérdida de energía por fluorescencia a partir de un estado excitado superior. Por consiguiente, en referencia de nuevo a la figura 15.2, la excitación producida por la banda de radiación llamada A 2 produce casi siempre una banda de fluorescencia cen– trada en una longitud de onda A 3 con exclusión de una banda que resultaría de una transición entre 5 2 y 5 0 . En este caso, la molécula excitada pasa del estado electrónico superior al estado vibracional más bajo del estado electrónico excitado más bajo mediante una serie de relajaciones vibracionales, una conversión interna y rela– jaciones posteriores. Bajo estas circunstancias, la fluorescencia tiene lugar solo en A 3 , sin importar que las radiaciones de longitud de onda A 1 o A 2 sean las responsables de la excitación. La quinina proporciona un ejemplo clásico de este tipo de comportamiento (véase el problema 15.13). Esta sustancia de origen natural posee dos bandas de excitación analíticamente útiles: una centrada en 250 nm y la otra en 350 nm. Sin importar qué longitud de onda se utilice para excitar la molécula, la longitud de onda del máximo de emisión es 450 nm (véase la figura 15.3). Los mecanismos del proceso de conversión interna 5 1 --+ 5 0 que se muestran en la figura 15.2 aún no se comprenden del todo. En el caso de algunas moléculas, los niveles vibracionales del estado fundamental se superponen con los del primer estado electrónico excitado, y la desactivación ocurre con rapidez por el mecanismo antes descrito. Esta situación prevalece en los com– puestos alifáticos, por ejemplo, y explica el hecho de que estas especies rara vez emitan fluorescencia. En esta clase de compues– tos, la desactivación por transferencia de energía a través de los niveles vibracionales superpuestos tiene lugar tan rápido que no hay tiempo para que ocurra la fluorescencia. Asimismo, la conversión interna podría ocasionar el fenó– meno de la predisociación. En este proceso, el electrón se mueve desde un estado electrónico superior a un nivel vibracional supe– rior de un estado electrónico más bajo, en el que la energía vibra– cional es lo suficientemente grande como para provocar la rotura de un enlace. Las moléculas grandes tienen mayor probabilidad de contener enlaces con fuerzas menores a la energía de excitación electrónica de los cromóforos. La ruptura de estos enlaces puede ser consecuencia de la absorción por un cromóforo, seguida de la conversión interna de la energía electrónica a energía vibracional asociada con el enlace débil. La predisociación debe distinguirse de la disociación ya que, en esta última, la radiación absorbida excita de manera directa al elec– trón de un cromóforo para que llegue a un nivel vibracional sufi– cientemente alto y así producir la ruptura del enlace del cromóforo. En este caso, no interviene la conversión interna. Los procesos de disociación también compiten con el proceso de fluorescencia. Conversión externa La desactivación de un estado electrónico excitado puede implicar la interacción y la transferencia de energía entre la molécula exci– tada y el solvente u otros solutos. Este proceso se llama conversión