miniatura|250px|Colección de 47 minerales iluminados con luz ultravioleta, que emiten luz visible de diversos colores mediante el proceso de fluorescencia. miniatura|250px|Peces marinos fluorescentes
La fluorescencia es un tipo particular de luminiscencia que caracteriza a las sustancias que son capaces de absorber energía en forma de radiaciones electromagnéticas y luego emitir parte de esa energía en forma de radiación electromagnética de longitud de onda diferente.Principles Of Instrumental Analysis F. James Holler, Douglas A. Skoog & Stanley R. Crouch 2006
La energía total emitida en forma de luz es siempre menor a la energía total absorbida y la diferencia entre ambas es disipada en forma de calor. En la mayoría de los casos la longitud de onda emitida es mayor -y por lo tanto de menor energía- que la absorbida, sin embargo, si la radiación de excitación es intensa, es posible para un electrón absorber dos fotones; en esta absorción bifotónica, la longitud de onda emitida es más corta que la absorbida, sin embargo en ambos casos la energía total emitida es menor que la energía total absorbida.
En general las sustancias fluorescentes absorben energía en forma de radiación electromagnética de onda corta (p. ej. radiación gamma, rayos x, UV, luz azul, etc.), y luego la emiten nuevamente a una longitud de onda más larga, por ejemplo dentro del espectro visible. Los ejemplos más notables de fluorescencia ocurren cuando la luz absorbida se encuentra dentro del rango ultravioleta del espectro -invisible al ojo humano- y la luz emitida se encuentra en la región visible.
El mecanismo de fluorescencia típico implica tres pasos secuenciales, llamados respectivamente absorción (1), disipación no radiativa (2) y emisión (3).
El ciclo completo es muy breve, transcurre en tiempos del orden de los nanosegundos, por lo que puede considerarse prácticamente instantáneo. Es este tiempo tan corto lo que diferencia a la fluorescencia de otro conocido fenómeno luminoso, la fosforescencia. El mecanismo de fluorescencia también se encuentra muy relacionado con el proceso de quimioluminiscencia.
Las sustancias que son capaces de emitir luz al ser excitadas por diferentes tipos de radiación se denominan fluoróforos. Es posible obtener una amplia variedad de colores por fluorescencia, dependiendo de la longitud de onda que emita el compuesto fluorescente.
El fenómeno de fluorescencia posee numerosas aplicaciones prácticas, entre las que se encuentran por ejemplo análisis en mineralogía, gemología, sensores químicos (espectroscopia fluorescente), pigmentos y tintas, detectores biológicos y lámparas fluorescentes.
Historia miniatura|izquierda|Matlalina, la sustancia fluorescente en la madera del árbol Eysenhardtia polystachya. miniatura|200px|Copa de Lignum nephriticum hecha de la madera del árbol de narra (Pterocarpus indicus), y un frasco que contiene sus soluciones fluorescentes.
Una temprana observación de la fluorescencia fue descrita en 1560 por Bernardino de Sahagún y en 1565 por Nicolás Monardes en la infusión conocida como lignum nephriticum (del latín, "madera renal"). Fue derivado de la madera de dos especies de árboles, Pterocarpus indicus y Eysenhardtia polystachya.Acuña, A. Ulises; Amat-Guerri, Francisco; Morcillo, Purificación; Liras, Marta; Rodríguez, Benjamín (2009). "Structure and Formation of the Fluorescent Compound of Lignum nephriticum". Organic Letters 11 (14): 3020–3023. doi:10.1021/ol901022g. PMID 19586062. Available on-line at: Chinese Academy of Science Available on-line at: Chinese Academy of Science .Valeur, B.; Berberan-Santos, M. R. N. (2011). "A Brief History of Fluorescence and Phosphorescence before the Emergence of Quantum Theory". Journal of Chemical Education 88 (6): 731 El compuesto químico responsable de esta fluorescencia es la matlalina, que es el producto de oxidación de uno de los flavonoides que se encuentran en esa madera.
En 1819, Edward D. ClarkeEdward Daniel Clarke (1819) "Account of a newly discovered variety of green fluor spar, of very uncommon beauty, and with remarkable properties of colour and phosphorescence," The Annals of Philosophy, 14 : 34 - 36; from page 35: "The finer crystals are perfectly transparent. Their colour by transmitted light is an intense emerald green; but by reflected light, the colour is a deep sapphire blue; … ". y en 1822 René Just HaüyHaüy merely repeats Clarke's observation regarding the colors of the specimen of fluorite which he (Clarke) had examined: Haüy, Traité de Minéralogie, 2nd ed. (Paris, France: Bachelier and Huzard, 1822), vol. 1, page 512. Fluorite is called "chaux fluatée" by Haüy. From page 512: "... violette par réflection, et verdâtre par transparence au Derbyshire." ([the color of fluorite is] violet by reflection, and greenish by transmission in [specimens from] Derbyshire.) describieron fluorescencia en las fluoritas, en 1833 sir David Brewster describió el fenómeno en la clorofilaDavid Brewster (1834) "On the colours of natural bodies," Transactions of the Royal Society of Edinburgh 12 : 538-545; on page 542, Brewster mentions that when white light passes through an alcoholic solution of chlorophyll, red light is reflected from it. y en 1845 sir John Herschel hizo lo mismo con la quinina.Véase:* Herschel, John (1845a) "On a case of superficial colour presented by a homogeneous liquid internally colourless," Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 135 : 143-145; see page 145.* Herschel, John (1845b) "On the epipŏlic dispersion of light, being a supplement to a paper entitled, "On a case of superficial colour presented by a homogeneous liquid internally colourless" ," Philosophical Transactions of the Royal Society of London, 135 : 147-153.
En un artículo de 1852 sobre la "refrangibilidad " (cambio de longitud de onda) de la luz, George Gabriel Stokes describió la facultad del fluorspar y del cristal de uranio para cambiar la luz invisible más allá del extremo violeta del espectro visible en luz azul. Llamó a este fenómeno fluorescencia (fluorescence): «Casi me inclino a acuñar una palabra, y llamo la apariencia fluorescencia, de fluor-spar [es decir, la fluorita], como el término análogo opalescencia se deriva del nombre de un mineral». "I am almost inclined to coin a word, and call the appearance fluorescence, from fluor-spar [i.e., fluorite], as the analogous term opalescence is derived from the name of a mineral." From page 479, footnote: "I am almost inclined to coin a word, and call the appearance fluorescence, from fluor-spar, as the analogous term opalescence is derived from the name of a mineral." El nombre fue derivado del mineral fluorita (difluoruro de calcio), que en algunas muestras tiene rastros de europio bivalente, que sirve como activador fluorescente emitiendo luz azul. En un experimento clave utilizó un prisma para aislar la radiación ultravioleta de la luz solar y observó la luz azul emitida por una solución de etanol de quinina expuesto por ella.Stokes (1852), pages 472-473. In a footnote on page 473, Stokes acknowledges that in 1843, Edmond Becquerel had observed that quinine acid sulfate strongly absorbs ultraviolet radiation (i.e., solar radiation beyond Fraunhofer's H band in the solar spectrum). See: Edmond Becquerel (1843) "Des effets produits sur les corps par les rayons solaires" (On the effects produced on substances by solar rays), Comptes rendus, 17 : 882-884; on page 883, Becquerel cites quinine acid sulfate ("sulfate acide de quinine") as strongly absorbing ultraviolet light.
Mecanismo Consideraciones previas Para entender el mecanismo subyacente al proceso de fluorescencia es necesario primero repasar el concepto de orbital atómico y de orbital molecular.
Los electrones en un átomo se organizan ocupando diferentes orbitales, esto es, regiones en el espacio en torno al núcleo donde existe una cierta probabilidad de encontrarlos. Existen orbitales de baja energía y orbitales de alta energía. Los electrones prefieren ocupar primero, y siempre que sea posible, los orbitales de menor energía que se encuentren desocupados. Sin embargo esto no significa que no puedan ocupar transitoriamente orbitales de mayor energía.
Transiciones electrónicas Para mover un electrón de un orbital de baja energía a un orbital de mayor energía es necesario cubrir esa diferencia de energía con un aporte externo (es casi como llevar un cuerpo de un lugar bajo a un lugar con cierta altura, con la diferencia de que a escala atómica la diferencia de energía entre orbitales se encuentra cuantizada). Para cada tipo de átomo la diferencia de energía entre dos orbitales dados es constante y los electrones se pueden mover entre esos orbitales únicamente ganando o perdiendo esa cantidad fija de energía. Este proceso se conoce como transición electrónica. En el caso de tratarse de átomos únicos esto provoca que cada tipo de átomo posea líneas de absorción y líneas de emisión muy características, es decir que sea capaz de absorber o emitir energía en forma de cuantos de luz a determinadas longitudes de onda correspondientes a cada uno de los procesos de salto de los electrones entre orbitales de diferente energía. En el caso de átomos únicos las líneas espectrales son muy precisas y definidas porque las transiciones entre diferentes orbitales poseen diferencias de energía muy marcadas y precisas.
Espectros moleculares Cuando los átomos se combinan para formar moléculas, sus orbitales atómicos desaparecen, combinándose para formar orbitales moleculares. Los electrones ahora pueden ocupar regiones de probabilidad en torno a varios núcleos. La combinación de orbitales atómicos se produce en forma lineal, esto significa por ejemplo que si se combinan dos átomos, cada uno de los cuales posee cuatro orbitales atómicos, la molécula poseerá como resultado ocho orbitales moleculares. Estos orbitales moleculares poseerán energías intermedias a las de los orbitales atómicos que se combinaron para formarlos. La situación se va tornando más compleja cuantos más átomos posea una molécula. Como consecuencia, moléculas relativamente grandes poseen un número muy elevado de orbitales moleculares entre los cuales se pueden producir transiciones electrónicas. Es por eso que las moléculas poseen bandas de emisión y absorción y no líneas. Estas bandas se encuentran formadas por la superposición de una gran cantidad de líneas correspondientes a cada una de las transiciones posibles entre diferentes orbitales dentro de la molécula. Y para complicar aún más la situación, hay que considerar que las moléculas no son rígidas, sino que se trata de estructuras dinámicas que están sometidas a deformaciones estructurales, debidas por ejemplo a vibraciones térmicas o a rotaciones de determinadas partes de la molécula. Cuando se altera la forma de una molécula, también se altera la forma de los orbitales moleculares que la forman y como consecuencia se altera la energía de los mismos. Las deformaciones estructurales provocan ligeras diferencias entre las energías de diferentes orbitales que hacen que se modifiquen las energías de transición electrónica entre ellas. Finalmente cabe considerar que en una molécula en estado basal, muchos de los electrones se encuentran en estado singlete, es decir, se encuentran complementados por otro electrón dentro del mismo orbital con un espín antiparalelo. Una transición electrónica típica, implica que un electrón en estado singlete, salta a un orbital de mayor energía adquiriendo un estado doblete donde su espín no se encuentra complementado por otro antiparalelo. Pero pueden ocurrir otro tipo de transiciones, en la cual dos electrones en estado doblete, pueden ser promovidos a dos orbitales degenerados (de igual energía) adquiriendo un estado triplete en el cual sus espines son paralelos. Las transiciones de espín, también pueden absorber y emitir energía en forma de luz.
Mecanismo básico y diagrama de Jablonski