💡 Fotoquímica — Fluorescencia, Fosforescencia y el Diagrama de Jablonski

Un diagrama de Jablonski es una pila de niveles de energía horizontales para una molécula: el estado fundamental S0 en la parte inferior, los estados singlete excitados S1 y S2 por encima, y un estado triplete T1 ligeramente por debajo de S1. Las flechas verticales rectas representan transiciones radiativas en las que se absorbe o emite un fotón; las flechas onduladas representan transiciones no radiativas como la conversión interna y el cruce intersistema, donde la energía se pierde como calor en lugar de luz.

El desplazamiento de Stokes es la diferencia de longitud de onda entre el fotón que absorbe una molécula y el fotón que emite después. Antes de la emisión, una molécula excitada pierde rápidamente parte de su energía de forma no radiativa mediante conversión interna y relajación vibracional hasta el estado excitado más bajo. Por ello, el fotón emitido lleva menos energía, es decir, tiene una longitud de onda mayor, que el fotón absorbido.

La fluorescencia es una transición S1 a S0 permitida por espín que ocurre casi de inmediato, en una escala de tiempo de nanosegundos. La fosforescencia es una transición T1 a S0 prohibida por espín que puede tardar desde milisegundos hasta muchos segundos, porque invertir el espín del electrón normalmente no está permitido. Esta es exactamente la razón por la que los materiales que brillan en la oscuridad siguen brillando mucho después de apagar la fuente de luz.

El cruce intersistema es la transición no radiativa desde el estado singlete excitado S1 al estado triplete T1. Requiere que el espín del electrón excitado se invierta, algo prohibido por las reglas de selección estándar. El acoplamiento espín-órbita, una interacción relativista entre el espín de un electrón y su movimiento orbital, permite débilmente la transición de todos modos, especialmente en moléculas que contienen átomos pesados.

El rendimiento cuántico de fluorescencia es la fracción de moléculas excitadas que se relajan emitiendo un fotón de fluorescencia, en lugar de perder su energía de forma no radiativa como calor o cruzar al estado triplete. Un rendimiento cuántico cercano a 1 significa que casi cada fotón absorbido se reemite como fluorescencia; un rendimiento cuántico bajo significa que la mayor parte de la energía de excitación se disipa sin luz.

El efecto de átomo pesado describe cómo los átomos con número atómico grande, como el bromo, el yodo o los metales pesados, refuerzan el acoplamiento espín-órbita dentro de una molécula. Esto hace que el cruce intersistema sea mucho más eficiente, razón por la cual las moléculas que contienen átomos pesados a menudo fosforescen intensamente en lugar de fluorescer.

Los colorantes y proteínas fluorescentes, como la fluoresceína y la GFP, se unen a estructuras biológicas específicas y se observan bajo un microscopio ajustado a sus longitudes de onda de excitación y emisión. Como los tiempos de vida de la fluorescencia son tan cortos, las imágenes pueden capturarse prácticamente en tiempo real, lo que hace de la microscopía de fluorescencia una herramienta central en la biología celular moderna.

Los pigmentos que brillan en la oscuridad contienen compuestos fosforescentes cuyas moléculas quedan atrapadas en el estado triplete T1, de larga duración, tras absorber luz. Como la transición T1 a S0 está prohibida por espín, las moléculas escapan lentamente del estado triplete, a lo largo de segundos u horas, produciendo un resplandor constante mucho después de que la excitación haya cesado.

Además de los colorantes y los pigmentos que brillan en la oscuridad, estas mismas rutas fotofísicas impulsan la terapia fotodinámica, donde los estados triplete activados por luz generan oxígeno reactivo para destruir tejido enfermo; las pantallas OLED, que dependen de emisores fluorescentes y fosforescentes cuidadosamente ajustados para cada color de píxel; y la química de los protectores solares, donde las moléculas que absorben UV disipan la energía del fotón absorbido de forma segura como calor en lugar de dañar la piel.