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Explicación de espectroscopía de fotoluminiscencia y fluorescencia

Los espectrómetros de Renishaw pueden realizar espectroscopia de fotoluminiscencia (PL) para revelar la estructura electrónica de un material. Por el contrario, puede evitar fácilmente los fondos fluorescentes no deseados durante el análisis Raman.


La fotoluminiscencia (PL) se estimula por la absorción de fotones por un material. El material emite luz cuando vuelve de un estado electrónico excitado a su estado base. PL incluye los procesos de fluorescencia y fosforescencia. La cantidad y el tipo de PL dependen del material y la longitud de onda del láser que se estén estudiando.

Cuando un láser ilumina una muestra, puede producirse tanto la dispersión Raman como la fotoluminiscencia (FL). Los fondos fluorescentes no deseados pueden impedir el análisis Raman correcto porque oscurecen la luz dispersada Raman más débil. Los fondos fluorescentes pueden evitarse a menudo seleccionando una longitud de onda láser adecuada.

¿Qué ofrece la espectroscopia de fotoluminiscencia (PL)?

En muchos casos, el espectro de fotoluminiscencia (PL) puede ser útil. Puede utilizar el espectro PL para estudiar las propiedades electrónicas de los materiales. Esto es importante para análisis de semiconductores, donde revela la estructura de las bandas de material y los posibles defectos. También puede analizar defectos cristalinos, como vacantes atómicas y sustituciones.

La espectroscopia PL es non destructiva y puede aumentar los datos Raman. Los sistemas Raman de Renishaw son adecuados para el análisis de dispersión Raman y PL.

También puede utilizar la PL para estudiar defectos cristalinos, como vacantes atómicas (huecos en la estructura) y sustituciones. Esto tiene especial importancia en piedras preciosas como el diamante y materiales semiconductores el carburo de silicio (SiC). No solo se puede identificar el tipo de defecto, sino también se puede determinar si el cristal está sometido a tensiones internas.

Cómo medir un espectro de fotoluminiscencia

Para obtener un espectro PL, se enfoca la luz sobre una muestra y se mide la luminiscencia resultante. Un espectro PL es un gráfico de la intensidad de luz emitida frente a la longitud de onda. Con la espectroscopia PL, puede estudiar las propiedades electrónicas y la presencia de defectos en materiales semiconductores. Estos estudios requieren a menudo un rango espectral de cientos de nanómetros (o miles de números de onda, cm-1). La tecnología SynchroScan™ también puede ayudar a resolver características anchas y agudas en un espectro PL.

Los espectrómetros de Renishaw usan una fuente de luz láser para espectroscopia PL. Los láseres son monocromáticos, por lo que proporcionan iluminación intensa sobre un rango de longitud de onda muy estrecho. Es decir, la excitación láser puede revelar picos PL que pueden no ser visibles con otras fuentes de excitación, como lámparas UV o espectrómetros sintonizables. La cantidad y el tipo de PL dependen del material y la longitud de onda del láser que se estén estudiando. Para estimular PL, la luz incidente debe tener energía más alta que el salto de banda electrónico del material. Una energía más baja corresponde a una longitud de onda más larga. Por tanto, se observa emisión PL a longitudes de onda más largas que las de la luz incidente.

Espectro de SiC de banda ancha.

Espectro de banda ancha de SiC que muestra características de PL El rango espectral es de 400 nm a más de 1000 nm, sobre los campos visibles y otros. Datos cortesía del profesor John Steeds y el Dr. Geraint Evans, Departamento de Física, de la Universidad de Bristol, Reino Unido.

Fluorescencia y fosforescencia

La fotoluminiscencia incluye los procesos de fluorescencia y fosforescencia. Generalmente, la fluorescencia se refiere a PL prácticamente instantánea y dura menos de 10 nanosegundos. Por otra parte, la fosforescencia se refiere a PL que dura más de 10 nanosegundos después de retirar la luz incidente. El diagrama de Jablonski siguiente ayuda a entender la mecánica cuántica de la fluorescencia y fosforescencia.

Consideramos una molécula en su estado base individual (S0). En el caso de la fluorescencia, la molécula absorbe un fotón que se promociona a su estada excitado individual (S1). La emisión fluorescente de la luz se produce cuando la molécula se relaja desde S1 to S0. Los estados S1 y S0 tienen la misma multiplicidad de giro, por lo que se permite la transición de S1 a S0. Por tanto, la fluorescencia se produce en menos de 10 nanosegundos.

Para que se produzca la fosforescencia, la molécula contiene normalmente átomos con mayor masa y nivel de acoplamiento de órbita de giro. Esto aumenta la probabilidad de cruces intersistema (ISC) entre estados electrónicos individuales S1 y triples T1. Debido a la conservación del impulso angular, la relajación de T1 sobre la base S0 está prohibida, ya que estos estados electrónicos tienen distinta multiplicidad de giro. De nuevo, el acoplamiento de órbita de giro relaja esta regla, por lo que la fosforescencia puede producirse como transición radiativa del estado T1 a S0. Por tanto, la fosforescencia se produce a una escala mucho más lenta (de microsegundos a miles de segundos) que la fluorescencia.

En resumen, la fluorescencia se produce cuando una molécula emite luz desde su primer estado individual excitado S1, tras la absorción de un fotón. La fosforescencia se produce cuando una molécula emite luz desde su tercer estado T1 tras el cruce intersistema desde S1.

Diagrama de energía que muestra la absorción de la luz y los procesos relacionados en la emisión de luz como fluorescencia y fosforescencia. Diagrama de energía que muestra la absorción de la luz y los procesos relacionados en la emisión de luz como fluorescencia y fosforescencia.

Explicación de la espectroscopia Raman

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Imagen de fluorescencia y FLIM

Los biólogos utilizan con frecuencia imágenes de fluorescencia. Esto implica tratar tejidos biológicos y células con marcadores fluorescentes o etiquetas para detectar la presencia y distribución de especies moleculares. El microscopio confocal inVia™ y el analizador biológico RA816 de Renishaw son idóneos para generar imágenes o marcadores fluorescentes como marcadores biológicos. Sin embargo, este enfoque es más invasivo que el análisis Raman, que normalmente no utiliza marcadores.

Por el contrario, la microscopia de imagen de vida útil fluorescente (FLIM) es una técnica sin marcadores para el estudio del entorno molecular o células y tejidos biológicos. Esto complementa la espectroscopia Raman, que revela la bioquímica subyacente. El microscopio inVia puede equiparse con funciones FLIM integradas para obtener imágenes multimodales sin marcadores.

Imagen de la tensión generada desde la posición de banda de rubí R2 PL


Imagen de la tensión generada desde la posición de banda de rubí R2 PL

Comparación de espectroscopía Raman y PL

Los espectrómetros obtienen emisiones de fotoluminiscencia y Raman simultáneamente. ¿Cómo se pueden diferenciar?

Un material emite bandas PL con longitudes de onda constantes, que dependen de su estructura electrónica. Las bandas de absorción y luminiscencia del material no cambian, aunque se utilice una longitud de onda de excitación diferente. Generalmente, los gemólogos informan sobre los picos PL en nanómetros (nm). Los físicos que trabajan con semiconductores prefieren notificar los picos PL en electronvoltios (eV).

Por el contrario, las bandas Raman tienen una diferencia de energía constante relativa a la longitud de onda de excitación. La espectroscopia Raman mide el cambio de energía cuando la luz interactúa con los niveles de energía de vibración molecular. En los espectros Raman, los valores de eje x son relativos a la fuente de excitación. Por tanto, el eje x se etiqueta como desplazamiento Raman con unidades de número de onda de cm-1.

Cómo evitar fondos fluorescentes en espectros Raman

Cuando un láser ilumina una muestra, puede producirse tanto la dispersión Raman como la fotoluminiscencia (FL). Las emisiones de fluorescencia pueden ser mucho más intensas que la dispersión Raman, y pueden impedir que el análisis Raman tenga éxito. Para contrarrestarlo, puede utilizar una longitud de onda del láser diferente. De este modo, puede alejar las bandas Raman del pico de emisión de la banda PL e, incluso, evitar la generación de PL por completo.

Un buen dispositivo Raman debe poder alternar fácilmente entre distintas longitudes de onda láser. A continuación, puede seleccionar o no las funciones de PL, según sus necesidades.

 
Espectros desde un polímero de conducción

Espectros desde un polímero de conducción Puede observar claramente las bandas Raman mediante una excitación láser prácticamente infrarroja a 785 nm. Al iluminar la muestra con un láser visible a 514 o 633 nm, los fondos fluorescentes fuertes dominan los espectros. Se han ampliado los ejes verticales para mayor claridad.

¿Qué es la espectroscopia Raman?

Continúe la exploración de espectroscopia Raman y fotoluminiscencia (PL). Respondemos a sus preguntas sobre microscopia Raman, imágenes rápidas Raman, análisis de datos, y técnicas de análisis de fluorescencia y complementaria.

Explicación de la espectroscopia Raman