A luminescência pode ser descrita como a emissão de radiação espontânea de espécies eletronicamente ou vibracionalmente excitadas.[77] Considerando que a excitação ocorre através da absorção de luz, essa é classificada como fotoluminescência. Para que se compreenda os processos subsequentes à absorção de fótons, torna-se adequado o uso do diagrama de Perrin-Jablonski, ilustrado na Figura 10. Uma transição eletrônica molecular induzida por absorção de fótons consiste na passagem de elétrons de um estado eletrônico de mais baixa energia (estado fundamental) para um estado eletrônico excitado de maior energia. Essas transições eletrônicas ocorrem nas regiões do espectro eletromagnético do ultravioleta, visível, e infravermelho próximo.[3]
Após absorção de fótons, a relaxação dos elétrons ocorre através de processos não-radiativos ou radiativos, sendo esse último denominado por ocorrer emissão da radiação sob forma de luz, seja através de fluorescência ou fosforescência. Antes da emissão de fluorescência, deve-se considerar que dentro do mesmo nível de energia no estado excitado, pode ocorrer relaxação não-radiativa, denominada relaxação vibracional (Figura 10). Caso a energia fornecida seja grande o suficiente para a promoção do elétron a níveis de energia superiores ao excitado de menor energia, o decaimento desse nível para o S1 é denominado de cruzamento intersistemas. Da mesma forma, essa transição
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antecede a fosforescência, quando ocorre inversão de spin e o elétron passa do estado singleto excitado para o tripleto excitado. A emissão de fluorescência ocorre entre o estado singleto excitado e o estado singleto fundamental, enquanto que a emissão de fosforescência ocorre com a inversão de spin do elétron localizado no estado singleto excitado, sendo transferido para o tripleto excitado. Todos esses fenômenos mencionados encontram-se descritos na Figura 10. Um dos parâmetros empregados para que se avalie a diferença energética entre a absorção e emissão é denominado deslocamento de Stokes, representado por ΔST, e é definido como sendo a diferença entre os máximos de absorção e emissão.[78–80]
Figura 10: Diagrama de Perrin-Jablonski ilustrando os processos radiativos e não-
radiativos bem como as posições relativas dos espectros de absorção, fluorescência e fosforescência. As linhas contínuas e pontilhadas representam processos radiativos, e
as linhas onduladas representam os processos não radiativos. Baseado em [81].
A eficiência da absorção de luz em um dado comprimento de onda λ é dada pela absorbância ou pela transmitância. Um parâmetro que expressa a habilidade de dada molécula absorver luz em um determinado comprimento de onda é denominado coeficiente de absortividade molar ε, e pode ser facilmente obtido através da Lei de Lambert-Beer, que considera a concentração da solução
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𝑐, o caminho óptico percorrido 𝑙, e a absorbância no comprimento de onda em estudo 𝐴,[78] Equação 1:
𝐴 = 𝜀 ∙ 𝑙 ∙ 𝑐 (1)
As alterações em um espectro de absorção podem se dar pelo deslocamento das bandas para maiores comprimentos de onda (batocrômico) ou para menores comprimentos de onda (hipsocrômico). Quando se descreve a intensidade dos espectros, denomina-se efeito hipercrômico o aumento da intensidade, enquanto que a redução da intensidade é denominada efeito hipocrômico. Esses efeitos estão ilustrados na Figura 11.
Figura 11: Esquema representativo acerca das denominações empregadas para
descrever mudanças de intensidade e de deslocamento ao longo dos espectros.
A grande maioria dos compostos fluorescentes são aromáticos. O aumento da conjugação leva a um deslocamento batocrômico dos máximos de absorção e emissão, o que está relacionado a menor energia nas transições 𝜋 → 𝜋 ∗. A presença de heteroátomos aumenta a probabilidade de transições 𝑛 → 𝜋 ∗, as quais têm menores coeficientes de absortividade molar do que as transições 𝜋 → 𝜋 ∗.[81–83]
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emissão de fluorescência de dada molécula é conhecido como Rendimento Quântico de Fluorescência Relativo Φ𝐹, e é obtido experimentalmente, a partir da comparação com padrões existentes na literatura. A obtenção desse parâmetro dá-se através das medidas de absorção e emissão da solução diluída da espécie a ser investigada. A importância de ser uma solução diluída está associada à exclusão de fenômenos paralelos que possam existir em decorrência do aumento da concentração. A partir dos espectros obtidos, escolhe-se um corante como padrão para comparação, cujas absorção e emissão devem ter regiões espectrais semelhantes e rendimento quântico definido. Após obtenção dos espectros de absorção e emissão, tanto do padrão quanto da amostra, utiliza-se a Equação 2 para a obtenção do rendimento quântico de fluorescência relativo [84–87]:
𝜙𝐹 = 𝐴𝑃 𝐴𝐴∙ 𝐹𝐴 𝐹𝑃∙ ( 𝑛𝐴 𝑛𝑃) 2 ∙ 𝜙𝑃 (2)
Onde A é absorção no comprimento de onda usado para excitação tanto do padrão (P) quanto da amostra (A), F é a área da curva de emissão do padrão
P e da amostra A, n é o índice de refração dos solventes utilizados e 𝜙𝑃 é o rendimento quântico do padrão.
3.4.1. Efeitos que alteram as propriedades fotofísicas
Muitos fatores são capazes de afetar tanto a absorção quanto a emissão de fótons de uma molécula, dentre eles a temperatura, a concentração, e o solvente.[83] Em geral, o aumento da temperatura leva a perdas de energia sob forma de calor (não-radiativa). Em decorrência disso, observa-se um decaimento da intensidade de emissão radiativa (fluorescência) com o aumento da temperatura.[88–90]
O incremento da concentração pode promover uma não-linearidade da Lei de Lambert-Beer, mesmo motivo que faz com que a emissão de fluorescência com o aumento da concentração não seja linear após uma concentração limite. As interações intermoleculares soluto-solvente afetam diretamente os espectros de absorção e emissão. Esse efeito é conhecido como solvatocromismo e está
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fortemente ligado com a polaridade do solvente, bem como seu efeito sobre os momentos de dipolo da estrutura, tanto no seu estado fundamental quanto excitado.[91–94]
Para que se compreenda esse fenômeno, algumas observações se fazem necessárias. Sabe-se que a polaridade do cromóforo no estado fundamental e excitado são diferentes, conforme ilustra a Figura 12, onde o momento de dipolo do estado fundamental (µF) e excitado (µE) estão representados, bem como uma ilustração da solvatação decorrente desses momentos de dipolo. Dessa forma, solventes com diferentes polaridades possuem diferentes capacidades de estabilizar/solvatar essas estruturas tanto no estado fundamental quanto no estado excitado. Assim, quando uma molécula é excitada, seu momento de dipolo muda, uma relaxação do solvente ocorre, solvatando assim a estrutura, estabilizando-a energeticamente. Por consequência, diferenças energéticas são facilmente observadas entre os estados fundamental e excitado, com a variação do solvente. Experimentalmente, observa-se deslocamentos nos espectros de absorção e emissão de fluorescência, além de mudanças na forma, como alargamento ou estreitamento do espectro.[77]
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Figura 12: Efeitos de orientação eletrônica e relaxação do solvente, considerando os
momentos de dipolo do estado fundamental (µF) e do estado excitado (µG) da
molécula, com diferentes respostas em termos de energia, conforme solvatação da molécula frente às características do solvente. Baseado em [77].