Fluorescencia

Emisión de luz por una sustancia que ha absorbido luz.

Los minerales fluorescentes emiten luz visible cuando se exponen a la luz ultravioleta .

Organismos marinos fluorescentes

Ropa fluorescente utilizada en una producción teatral con luz negra , Praga

La fluorescencia es uno de los dos tipos de emisión de luz que realiza una sustancia que ha absorbido luz u otra radiación electromagnética . Cuando se exponen a la radiación ultravioleta , muchas sustancias brillarán (fluorescerán) con luz visible coloreada. El color de la luz emitida depende de la composición química de la sustancia. Los materiales fluorescentes generalmente dejan de brillar casi inmediatamente cuando se detiene la fuente de radiación. Esto los distingue del otro tipo de emisión de luz, la fosforescencia . Los materiales fosforescentes continúan emitiendo luz durante algún tiempo después de que cesa la radiación.

La fluorescencia se produce cuando un fotón de la radiación entrante es absorbido por un electrón orbital en una molécula del material, excitándolo a un nivel de energía más alto . El electrón luego vuelve a su nivel de energía anterior perdiendo energía, emitiendo otro fotón de una frecuencia diferente , que es el brillo fluorescente.

La fluorescencia es una forma de luminiscencia . En casi todos los casos, la luz emitida tiene una longitud de onda más larga y, por lo tanto, una energía fotónica más baja que la radiación absorbida. El ejemplo más común ocurre cuando la radiación absorbida está en la región ultravioleta del espectro electromagnético (invisible para el ojo humano), mientras que la luz emitida está en la región visible . Esto le da a la sustancia fluorescente un color distintivo que se ve mejor cuando ha sido expuesta a la luz ultravioleta , lo que hace que parezca brillar en la oscuridad. Sin embargo, cualquier luz de una longitud de onda más corta puede hacer que un material emita fluorescencia en una longitud de onda más larga. Los materiales fluorescentes también pueden ser excitados por ciertas longitudes de onda de la luz visible, lo que enmascara el brillo, pero sus colores pueden parecer brillantes e intensificados. Otros materiales fluorescentes emiten su luz en las regiones infrarrojas o incluso ultravioleta del espectro.

La fluorescencia tiene muchas aplicaciones prácticas, incluyendo mineralogía , gemología , medicina , sensores químicos ( espectroscopia de fluorescencia ), etiquetado fluorescente , tintes , detectores biológicos, detección de rayos cósmicos, pantallas fluorescentes de vacío y tubos de rayos catódicos . Su aplicación cotidiana más común es en lámparas fluorescentes ( de descarga de gas ) y lámparas LED , en las que los recubrimientos fluorescentes convierten la luz ultravioleta o azul en longitudes de onda más largas, lo que da como resultado una luz blanca que incluso puede parecer indistinguible de la de la lámpara incandescente tradicional pero energéticamente ineficiente . La fluorescencia también ocurre con frecuencia en la naturaleza en algunos minerales y en muchas formas biológicas en todos los reinos de la vida. Esto último puede denominarse biofluorescencia , lo que indica que el fluoróforo es parte o se extrae de un organismo vivo (en lugar de un tinte o mancha inorgánico ). Pero como la fluorescencia se debe a una sustancia química específica, que también se puede sintetizar artificialmente en la mayoría de los casos, es suficiente describir la sustancia en sí como fluorescente .

Historia

Una taza hecha con la madera del árbol narra ( Pterocarpus indicus ) junto a un frasco que contiene su solución fluorescente Lignum nephriticum .

Matlaline, la sustancia fluorescente presente en la madera del árbol Eysenhardtia polystachya

La fluorescencia se observó mucho antes de que se le diera nombre y se comprendiera. ^[1] Una observación temprana de la fluorescencia fue conocida por los aztecas ^[1] y descrita en 1560 por Bernardino de Sahagún y en 1565 por Nicolás Monardes en la infusión conocida como lignum nephriticum ( latín para "madera de riñón"). Se derivaba de la madera de dos especies de árboles, Pterocarpus indicus y Eysenhardtia polystachya . ^{[2] [3] [4]} 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 esta madera. ^[2]

En 1819, ED Clarke ^[5] y en 1822 René Just Haüy ^[6] describieron algunas variedades de fluoritas que tenían un color diferente dependiendo de si la luz se reflejaba o (aparentemente) transmitía; Haüy consideró incorrectamente el efecto como una dispersión de la luz similar a la opalescencia . ^{[1] :  Fig.5} En 1833 Sir David Brewster describió un efecto similar en la clorofila que también consideró una forma de opalescencia. ^[7] Sir John Herschel estudió la quinina en 1845 ^{[8] [9]} y llegó a una conclusión incorrecta diferente. ^[1]

En 1842, A. E. Becquerel observó que el sulfuro de calcio emite luz después de ser expuesto a la luz ultravioleta solar , lo que lo convirtió en el primero en afirmar que la luz emitida tiene una longitud de onda más larga que la luz incidente. Si bien su observación de fotoluminiscencia fue similar a la descrita 10 años después por Stokes, quien observó una fluorescencia de una solución de quinina , el fenómeno que Becquerel describió con el sulfuro de calcio ahora se llama fosforescencia . ^[1]

En su artículo de 1852 sobre la "refrangibilidad" ( cambio de longitud de onda ) de la luz, George Gabriel Stokes describió la capacidad del espato flúor , el vidrio de uranio y muchas otras sustancias para transformar la luz invisible más allá del extremo violeta del espectro visible en luz visible. Denominó a este fenómeno fluorescencia ^[1]

"Casi me inclino a acuñar una palabra y llamar a la apariencia fluorescencia , de espato flúor [es decir, fluorita], ya que el término análogo opalescencia se deriva del nombre de un mineral". ^{[10] (p. 479, nota al pie)}

Ni Becquerel ni Stokes comprendieron un aspecto clave de la fotoluminiscencia: la diferencia fundamental con la incandescencia , la emisión de luz por un material calentado. Para distinguirla de la incandescencia, a finales del siglo XIX, Gustav Wiedemann propuso el término luminiscencia para designar cualquier emisión de luz más intensa de lo esperado a partir de la temperatura de la fuente. ^[1]

Los avances en espectroscopia y electrónica cuántica entre los años 1950 y 1970 proporcionaron una forma de distinguir entre los tres mecanismos diferentes que producen la luz, así como de reducir las escalas de tiempo típicas que esos mecanismos tardan en decaer después de la absorción. En la ciencia moderna, esta distinción se volvió importante porque algunos elementos, como los láseres, requerían los tiempos de decaimiento más rápidos, que normalmente ocurren en el rango de nanosegundos (milmillonésimas de segundo). En física, este primer mecanismo se denominó "fluorescencia" o "emisión singlete", y es común en muchos medios láser como el rubí. Se descubrió que otros materiales fluorescentes tenían tiempos de decaimiento mucho más largos, porque algunos de los átomos cambiarían su espín a un estado triplete , por lo que brillarían intensamente con fluorescencia bajo excitación, pero producirían un resplandor más tenue durante un corto tiempo después de que se eliminara la excitación, lo que se denominó "fosforescencia" o "fosforescencia triplete". Los tiempos de desintegración típicos oscilaban entre unos pocos microsegundos y un segundo, que siguen siendo lo suficientemente rápidos para los estándares del ojo humano como para denominarse coloquialmente fluorescentes. Los ejemplos comunes incluyen lámparas fluorescentes, tintes orgánicos e incluso espato flúor. Los emisores más largos, comúnmente denominados sustancias que brillan en la oscuridad, variaban de un segundo a muchas horas, y este mecanismo se denominó fosforescencia persistente o luminiscencia persistente , para distinguirlo de los otros dos mecanismos. ^{[11] : 1–25}

Principios físicos

Mecanismo

Una lente de rubí sobre un puntero láser verde. El haz verde converge en un cono dentro del cristal y se enfoca en un punto en la parte superior. La luz verde se absorbe y se emite espontáneamente como luz roja. No toda la luz se absorbe y una pequeña parte de la luz láser de 520 nm se transmite a través de la parte superior, sin ser alterada por el color rojo del rubí.

La fluorescencia se produce cuando una molécula, átomo o nanoestructura excitada se relaja a un estado de energía más bajo (normalmente el estado fundamental ) mediante la emisión de un fotón sin un cambio en el espín del electrón . Cuando los estados inicial y final tienen diferente multiplicidad (espín), el fenómeno se denomina fosforescencia . ^[12]

El estado fundamental de la mayoría de las moléculas es un estado singlete , denotado como S ₀ . Una excepción notable es el oxígeno molecular , que tiene un estado fundamental triplete . La absorción de un fotón de energía da como resultado un estado excitado de la misma multiplicidad (espín) del estado fundamental, normalmente un singlete (S _n con n > 0). En solución, los estados con n > 1 se relajan rápidamente al nivel vibracional más bajo del primer estado excitado (S ₁ ) mediante la transferencia de energía a las moléculas del disolvente a través de procesos no radiativos, incluida la conversión interna seguida de relajación vibracional, en la que la energía se disipa como calor . ^[13] Por lo tanto, lo más común es que la fluorescencia se produzca a partir del primer estado excitado singlete, S ₁ . La fluorescencia es la emisión de un fotón que acompaña a la relajación del estado excitado al estado fundamental. Los fotones de fluorescencia tienen una energía menor ( ) en comparación con la energía de los fotones utilizados para generar el estado excitado ( ) ${\displaystyle h\nu _{ex}}$ ${\displaystyle h\nu _{em}}$ ${\displaystyle h\nu _{ex}}$

• Excitación: ${\displaystyle \mathrm {S} _{0}+h\nu _{\text{ex}}\to \mathrm {S} _{1}}$
• Fluorescencia (emisión): ${\displaystyle \mathrm {S} _{1}\to \mathrm {S} _{0}+h\nu _{\text{em}}}$

En cada caso, la energía del fotón es proporcional a su frecuencia según , donde es la constante de Planck . ${\displaystyle E}$ ${\displaystyle \nu }$ ${\displaystyle E=h\nu }$ ${\displaystyle h}$

El estado excitado S ₁ puede relajarse por otros mecanismos que no implican la emisión de luz. Estos procesos, llamados procesos no radiativos, compiten con la emisión de fluorescencia y disminuyen su eficiencia. ^[13] Los ejemplos incluyen la conversión interna , el cruce entre sistemas al estado triplete y la transferencia de energía a otra molécula. Un ejemplo de transferencia de energía es la transferencia de energía por resonancia de Förster . La relajación de un estado excitado también puede ocurrir a través del apagado por colisión , un proceso en el que una molécula (el extintor) choca con la molécula fluorescente durante su vida útil en estado excitado. El oxígeno molecular (O ₂ ) es un extintor extremadamente eficiente de la fluorescencia simplemente por su inusual estado fundamental triplete.

Rendimiento cuántico

El rendimiento cuántico de fluorescencia indica la eficiencia del proceso de fluorescencia. Se define como la relación entre el número de fotones emitidos y el número de fotones absorbidos. ^{[14] (pág. 10) [13]}

${\displaystyle \Phi ={\frac {\text{Number of photons emitted}}{\text{Number of photons absorbed}}}}$

El rendimiento cuántico máximo posible de fluorescencia es 1,0 (100%); cada fotón absorbido da como resultado un fotón emitido. Los compuestos con rendimientos cuánticos de 0,10 todavía se consideran bastante fluorescentes. Otra forma de definir el rendimiento cuántico de la fluorescencia es mediante la tasa de decaimiento del estado excitado:

${\displaystyle \Phi ={\frac {{k}_{f}}{\sum _{i}{k}_{i}}}}$

¿Dónde está la constante de velocidad de emisión espontánea de radiación y ${\displaystyle {k}_{f}}$

${\displaystyle \sum _{i}{k}_{i}}$

es la suma de todas las tasas de decaimiento del estado excitado. Otras tasas de decaimiento del estado excitado son causadas por mecanismos distintos a la emisión de fotones y, por lo tanto, a menudo se las denomina "tasas no radiativas", que pueden incluir:

• extinción dinámica por colisión
• interacción dipolo-dipolo de campo cercano (o transferencia de energía de resonancia )
• conversión interna
• cruce entre sistemas

Por lo tanto, si cambia la velocidad de cualquier vía, se verán afectados tanto la vida útil del estado excitado como el rendimiento cuántico de fluorescencia.

Los rendimientos cuánticos de fluorescencia se miden por comparación con un estándar. ^[15] La sal de quinina, sulfato de quinina en una solución de ácido sulfúrico , se consideraba el estándar de fluorescencia más común, ^[16] sin embargo, un estudio reciente reveló que el rendimiento cuántico de fluorescencia de esta solución se ve fuertemente afectado por la temperatura y ya no debería usarse como solución estándar. La quinina en  ácido perclórico 0,1 M ( Φ = 0,60 ) no muestra dependencia de la temperatura hasta 45 °C, por lo tanto, puede considerarse como una solución estándar confiable. ^[17]

Vida

Diagrama de Jablonski . Después de que un electrón absorbe un fotón de alta energía, el sistema se excita electrónicamente y vibracionalmente. El sistema se relaja vibracionalmente y, finalmente, emite fluorescencia a una longitud de onda más larga que la del fotón de alta energía original.

El tiempo de vida de la fluorescencia se refiere al tiempo promedio que la molécula permanece en su estado excitado antes de emitir un fotón. La fluorescencia generalmente sigue una cinética de primer orden :

${\displaystyle \left[S_{1}\right]=\left[S_{1}\right]_{0}e^{-\Gamma t}}$

donde es la concentración de moléculas en estado excitado en el momento , es la concentración inicial y es la tasa de decaimiento o la inversa del tiempo de vida de la fluorescencia. Este es un ejemplo de decaimiento exponencial . Varios procesos radiativos y no radiativos pueden despoblar el estado excitado. En tal caso, la tasa de decaimiento total es la suma de todas las tasas: ${\displaystyle \left[S_{1}\right]}$ ${\displaystyle t}$ ${\displaystyle \left[S_{1}\right]_{0}}$ ${\displaystyle \Gamma }$

${\displaystyle \Gamma _{tot}=\Gamma _{rad}+\Gamma _{nrad}}$

donde es la tasa de desintegración total, la tasa de desintegración radiativa y la tasa de desintegración no radiativa. Es similar a una reacción química de primer orden en la que la constante de velocidad de primer orden es la suma de todas las velocidades (un modelo cinético paralelo). Si la tasa de emisión espontánea, o cualquiera de las otras tasas, es rápida, la vida útil es corta. Para los compuestos fluorescentes de uso común, los tiempos de desintegración típicos del estado excitado para las emisiones de fotones con energías desde el UV hasta el infrarrojo cercano están dentro del rango de 0,5 a 20 nanosegundos . La vida útil de la fluorescencia es un parámetro importante para aplicaciones prácticas de la fluorescencia, como la transferencia de energía por resonancia de fluorescencia y la microscopía de imágenes de vida útil de la fluorescencia . ${\displaystyle \Gamma _{tot}}$ ${\displaystyle \Gamma _{rad}}$ ${\displaystyle \Gamma _{nrad}}$

Diagrama de Jablonski

El diagrama de Jablonski describe la mayoría de los mecanismos de relajación de las moléculas en estado excitado. El diagrama adjunto muestra cómo se produce la fluorescencia debido a la relajación de ciertos electrones excitados de una molécula. ^[18]

Anisotropía de fluorescencia

Es más probable que los fluoróforos sean excitados por fotones si el momento de transición del fluoróforo es paralelo al vector eléctrico del fotón. ^{[14] (pp 12–13)} La polarización de la luz emitida también dependerá del momento de transición. El momento de transición depende de la orientación física de la molécula de fluoróforo. Para los fluoróforos en solución, la intensidad y polarización de la luz emitida depende de la difusión rotacional. Por lo tanto, las mediciones de anisotropía se pueden utilizar para investigar qué tan libremente se mueve una molécula fluorescente en un entorno particular.

La anisotropía de fluorescencia se puede definir cuantitativamente como

${\displaystyle r={I_{\parallel }-I_{\perp } \over I_{\parallel }+2I_{\perp }}}$

donde es la intensidad emitida paralela a la polarización de la luz de excitación y es la intensidad emitida perpendicular a la polarización de la luz de excitación. ^[13] ${\displaystyle I_{\parallel }}$ ${\displaystyle I_{\perp }}$

La anisotropía es independiente de la intensidad de la luz absorbida o emitida, es una propiedad de la luz, por lo que el fotoblanqueo del tinte no afectará el valor de anisotropía siempre que la señal sea detectable.

Fluorescencia

Banda de seguridad fluorescente en un billete de veinte dólares estadounidenses bajo luz ultravioleta

Los pigmentos muy fluorescentes suelen tener una apariencia inusual que se suele describir coloquialmente como un "color neón" (originalmente "day-glo" a fines de la década de 1960 y principios de la de 1970). Este fenómeno fue denominado "Farbenglut" por Hermann von Helmholtz y "fluorencia" por Ralph M. Evans. En general, se cree que está relacionado con el alto brillo del color en relación con lo que sería como un componente del blanco. La fluorescencia cambia la energía en la iluminación incidente de longitudes de onda más cortas a longitudes de onda más largas (como azul a amarillo) y, por lo tanto, puede hacer que el color fluorescente parezca más brillante (más saturado) de lo que podría ser mediante la reflexión sola. ^[19]

Normas

Existen varias reglas generales que abordan la fluorescencia. Cada una de las siguientes reglas tiene excepciones, pero son pautas útiles para comprender la fluorescencia (estas reglas no se aplican necesariamente a la absorción de dos fotones ).

La regla de Kasha

La regla de Kasha establece que la luminiscencia (fluorescencia o fosforescencia) de una molécula se emitirá sólo desde el estado excitado más bajo de su multiplicidad dada. ^[20] La regla de Vavilov (una extensión lógica de la regla de Kasha llamada regla de Kasha-Vavilov) dicta que el rendimiento cuántico de la luminiscencia es independiente de la longitud de onda de la radiación excitante y es proporcional a la absorbancia de la longitud de onda excitada. ^[21] La regla de Kasha no siempre se aplica y es violada por moléculas simples, un ejemplo de ello es el azuleno. ^[22] Una afirmación algo más fiable, aunque todavía con excepciones, sería que el espectro de fluorescencia muestra muy poca dependencia de la longitud de onda de la radiación excitante. ^[23]

Regla de la imagen reflejada

El colorante fluorescente, rodamina 6G , se utiliza habitualmente en aplicaciones como rotuladores fluorescentes , láseres de colorante y detección de fugas en automóviles. El perfil de absorción es un reflejo del perfil de emisión.

Para muchos fluoróforos, el espectro de absorción es una imagen especular del espectro de emisión. ^{[14] (pp 6–8)} Esto se conoce como la regla de la imagen especular y está relacionada con el principio de Franck-Condon , que establece que las transiciones electrónicas son verticales, es decir, los cambios de energía sin cambios de distancia, como se puede representar con una línea vertical en el diagrama de Jablonski. Esto significa que el núcleo no se mueve y los niveles de vibración del estado excitado se asemejan a los niveles de vibración del estado fundamental.

Cambio de Stokes

En general, la luz fluorescente emitida tiene una longitud de onda más larga y una energía menor que la luz absorbida. ^{[14] (pp 6–7)} Este fenómeno, conocido como desplazamiento de Stokes , se debe a la pérdida de energía entre el momento en que se absorbe un fotón y cuando se emite uno nuevo. Las causas y la magnitud del desplazamiento de Stokes pueden ser complejas y dependen del fluoróforo y su entorno. Sin embargo, existen algunas causas comunes. Con frecuencia se debe a la desintegración no radiativa al nivel de energía vibracional más bajo del estado excitado. Otro factor es que la emisión de fluorescencia con frecuencia deja un fluoróforo en un nivel vibracional más alto del estado fundamental.

En la naturaleza

Coral fluorescente

Existen muchos compuestos naturales que exhiben fluorescencia y tienen diversas aplicaciones. Algunos animales de aguas profundas, como el pez de ojos verdes , tienen estructuras fluorescentes.

En comparación con la bioluminiscencia y la biofosforescencia

Fluorescencia

La fluorescencia es el fenómeno de absorción de radiación electromagnética , típicamente de luz ultravioleta o visible , por una molécula y la posterior emisión de un fotón de menor energía (menor frecuencia, mayor longitud de onda). Esto hace que la luz que se emite sea de un color diferente al de la luz que se absorbe. La luz estimulante excita un electrón a un estado excitado. Cuando la molécula regresa al estado fundamental, libera un fotón, que es la emisión fluorescente. La vida útil del estado excitado es corta, por lo que la emisión de luz normalmente solo se observa cuando la luz absorbente está encendida. La fluorescencia puede ser de cualquier longitud de onda, pero a menudo es más significativa cuando los fotones emitidos están en el espectro visible. Cuando ocurre en un organismo vivo, a veces se la llama biofluorescencia. La fluorescencia no debe confundirse con la bioluminiscencia y la biofosforescencia. ^[24] Las ranas calabaza que viven en el bosque atlántico brasileño son fluorescentes. ^[25]

Bioluminiscencia

La bioluminiscencia se diferencia de la fluorescencia en que es la producción natural de luz por reacciones químicas dentro de un organismo, mientras que la fluorescencia es la absorción y reemisión de luz del medio ambiente. ^[24] Las luciérnagas y el rape son dos ejemplos de organismos bioluminiscentes. ^[26] Para aumentar la posible confusión, algunos organismos son a la vez bioluminiscentes y fluorescentes, como el pensamiento marino Renilla reniformis , donde la bioluminiscencia sirve como fuente de luz para la fluorescencia. ^[27]

Fosforescencia

La fosforescencia es similar a la fluorescencia en su necesidad de longitudes de onda de luz como proveedoras de energía de excitación. La diferencia aquí radica en la estabilidad relativa del electrón energizado. A diferencia de la fluorescencia, en la fosforescencia el electrón conserva la estabilidad, emitiendo luz que continúa "brillando en la oscuridad" incluso después de que se haya retirado la fuente de luz estimulante. ^[24] Por ejemplo, las pegatinas que brillan en la oscuridad son fosforescentes, pero no se conocen animales verdaderamente biofosforescentes . ^[28]

Mecanismos

Cromatóforos epidérmicos

Las células pigmentarias que exhiben fluorescencia se denominan cromatóforos fluorescentes y funcionan somáticamente de manera similar a los cromatóforos regulares . Estas células son dendríticas y contienen pigmentos llamados fluorosomas. Estos pigmentos contienen proteínas fluorescentes que son activadas por iones K+ (potasio), y es su movimiento, agregación y dispersión dentro del cromatóforo fluorescente lo que causa el patrón de fluorescencia dirigida. ^{[29] [30]} Las células fluorescentes están inervadas de la misma manera que otros cromatóforos, como los melanóforos, células pigmentarias que contienen melanina . El patrón y la señalización fluorescentes a corto plazo están controlados por el sistema nervioso. ^[29] Los cromatóforos fluorescentes se pueden encontrar en la piel (por ejemplo, en los peces) justo debajo de la epidermis, entre otros cromatóforos.

Las células fluorescentes epidérmicas de los peces también responden a los estímulos hormonales de las hormonas α–MSH y MCH de forma muy similar a los melanóforos. Esto sugiere que las células fluorescentes pueden tener cambios de color a lo largo del día que coinciden con su ritmo circadiano . ^[31] Los peces también pueden ser sensibles a las respuestas de estrés inducidas por el cortisol a los estímulos ambientales, como la interacción con un depredador o la participación en un ritual de apareamiento. ^[29]

Filogenética

Orígenes evolutivos

La incidencia de la fluorescencia en el árbol de la vida está muy extendida y se ha estudiado más extensamente en cnidarios y peces. El fenómeno parece haber evolucionado varias veces en múltiples taxones , como en los anguilliformes (anguilas), gobioidei (gobios y peces cardenal) y tetradontiformes (peces ballesta), junto con los otros taxones que se analizan más adelante en este artículo. La fluorescencia es muy variable genotípica y fenotípicamente, incluso dentro de los ecosistemas, en lo que respecta a las longitudes de onda emitidas, los patrones mostrados y la intensidad de la fluorescencia. En general, las especies que dependen del camuflaje muestran la mayor diversidad de fluorescencia, probablemente porque el camuflaje puede ser uno de los usos de la fluorescencia. ^[32]

La fluorescencia tiene múltiples orígenes en el árbol de la vida. Este diagrama muestra los orígenes en los actinopterigios (peces con aletas radiadas).

Algunos científicos sospechan que las GFP y las proteínas similares a las GFP comenzaron como donantes de electrones activados por la luz. Estos electrones luego se usaron para reacciones que requerían energía lumínica. Se cree que las funciones de las proteínas fluorescentes, como la protección contra el sol, la conversión de la luz en diferentes longitudes de onda o la señalización, evolucionaron de manera secundaria. ^[33]

Funciones adaptativas

Actualmente, se sabe relativamente poco sobre el significado funcional de la fluorescencia y las proteínas fluorescentes. ^[33] Sin embargo, se sospecha que la fluorescencia puede cumplir funciones importantes en la señalización y la comunicación, el apareamiento , los señuelos, el camuflaje , la protección UV y la antioxidación, la fotoaclimatación, la regulación de los dinoflagelados y la salud de los corales. ^[34]

Acuático

El agua absorbe la luz de longitudes de onda largas, por lo que menos luz de estas longitudes de onda se refleja de vuelta para llegar al ojo. Por lo tanto, los colores cálidos del espectro de luz visual parecen menos vibrantes a profundidades crecientes. El agua dispersa la luz de longitudes de onda más cortas por encima del violeta, lo que significa que los colores más fríos dominan el campo visual en la zona fótica . La intensidad de la luz disminuye 10 veces con cada 75 m de profundidad, por lo que a profundidades de 75 m, la luz es un 10% tan intensa como en la superficie, y solo es un 1% tan intensa a 150 m como en la superficie. Debido a que el agua filtra las longitudes de onda y la intensidad del agua que alcanza ciertas profundidades, diferentes proteínas, debido a las longitudes de onda e intensidades de luz que son capaces de absorber, se adaptan mejor a diferentes profundidades. Teóricamente, algunos ojos de pez pueden detectar luz a una profundidad de hasta 1000 m. A estas profundidades de la zona afótica, las únicas fuentes de luz son los propios organismos, que emiten luz a través de reacciones químicas en un proceso llamado bioluminiscencia.

La fluorescencia se define simplemente como la absorción de la radiación electromagnética en una longitud de onda y su reemisión en otra longitud de onda de energía más baja. ^[32] Por lo tanto, cualquier tipo de fluorescencia depende de la presencia de fuentes externas de luz. La fluorescencia biológicamente funcional se encuentra en la zona fótica, donde no solo hay suficiente luz para causar fluorescencia, sino también suficiente luz para que otros organismos la detecten. ^[35] El campo visual en la zona fótica es naturalmente azul, por lo que los colores de la fluorescencia se pueden detectar como rojos brillantes, naranjas, amarillos y verdes. El verde es el color más común en el espectro marino, el amarillo el segundo, el naranja el tercero y el rojo es el más raro. La fluorescencia puede ocurrir en organismos en la zona afótica como un subproducto de la bioluminiscencia de ese mismo organismo. Parte de la fluorescencia en la zona afótica es simplemente un subproducto de la bioquímica tisular del organismo y no tiene un propósito funcional. Sin embargo, algunos casos de importancia funcional y adaptativa de la fluorescencia en la zona afótica del océano profundo es un área activa de investigación. ^[36]

Zona fotica

Pez

Peces marinos fluorescentes

Los peces óseos que viven en aguas poco profundas generalmente tienen una buena visión del color debido a que viven en un entorno colorido. Por lo tanto, en los peces de aguas poco profundas, la fluorescencia roja, naranja y verde probablemente sirva como medio de comunicación con sus congéneres , especialmente dada la gran variación fenotípica del fenómeno. ^[32]

Muchos peces que exhiben fluorescencia, como tiburones , peces lagarto , peces escorpión , lábridos y peces planos , también poseen filtros intraoculares amarillos. ^[37] Los filtros intraoculares amarillos en los lentes y la córnea de ciertos peces funcionan como filtros de paso largo. Estos filtros permiten a las especies visualizar y potencialmente explotar la fluorescencia, con el fin de mejorar el contraste visual y los patrones que son invisibles para otros peces y depredadores que carecen de esta especialización visual. ^[32] Los peces que poseen los filtros intraoculares amarillos necesarios para visualizar la fluorescencia explotan potencialmente una señal de luz de los miembros de la misma. Los patrones fluorescentes fueron especialmente prominentes en peces con patrones crípticos que poseen un camuflaje complejo. Muchos de estos linajes también poseen filtros intraoculares amarillos de paso largo que podrían permitir la visualización de tales patrones. ^[37]

Otro uso adaptativo de la fluorescencia es generar luz naranja y roja a partir de la luz azul ambiental de la zona fótica para ayudar a la visión. La luz roja solo se puede ver a cortas distancias debido a la atenuación de las longitudes de onda de la luz roja por el agua. ^[38] Muchas especies de peces que emiten fluorescencia son pequeñas, viven en grupo o son bentónicas/afóticas y tienen patrones llamativos. Este patrón es causado por tejido fluorescente y es visible para otros miembros de la especie, sin embargo, el patrón es invisible en otros espectros visuales. Estos patrones fluorescentes intraespecíficos también coinciden con la señalización intraespecie. Los patrones presentes en los anillos oculares indican la direccionalidad de la mirada de un individuo y a lo largo de las aletas indican la direccionalidad del movimiento de un individuo. ^[38] La investigación actual sospecha que esta fluorescencia roja se utiliza para la comunicación privada entre miembros de la misma especie. ^{[29] [32] [38]} Debido a la prominencia de la luz azul en las profundidades del océano, la luz roja y la luz de longitudes de onda más largas se confunden, y muchos peces depredadores de arrecife tienen poca o ninguna sensibilidad a la luz en estas longitudes de onda. Los peces como el pez lábrido hada que han desarrollado sensibilidad visual a longitudes de onda más largas son capaces de mostrar señales fluorescentes rojas que dan un alto contraste con el entorno azul y son visibles para sus congéneres en distancias cortas, pero son relativamente invisibles para otros peces comunes que tienen sensibilidades reducidas a longitudes de onda largas. Por lo tanto, la fluorescencia se puede utilizar como señalización adaptativa y comunicación intra-especie en peces de arrecife. ^{[38] [39]}

Además, se sugiere que los tejidos fluorescentes que rodean los ojos de un organismo se utilizan para convertir la luz azul de la zona fótica o la bioluminiscencia verde de la zona afótica en luz roja para ayudar a la visión. ^[38]

Tiburones

Se describió un nuevo fluoróforo en dos especies de tiburones, que se debía a un grupo no descrito de metabolitos de moléculas pequeñas bromadas de triptófano-quinurenina. ^[40]

Coral

La fluorescencia cumple una amplia variedad de funciones en los corales. Las proteínas fluorescentes de los corales pueden contribuir a la fotosíntesis al convertir longitudes de onda de luz que de otro modo no se podrían utilizar en longitudes de onda que las algas simbióticas del coral pueden utilizar para realizar la fotosíntesis . ^[41] Además, las proteínas pueden fluctuar en número a medida que haya más o menos luz disponible como medio de fotoaclimatación. ^[42] De manera similar, estas proteínas fluorescentes pueden poseer capacidades antioxidantes para eliminar los radicales de oxígeno producidos por la fotosíntesis. ^[43] Finalmente, al modular la fotosíntesis, las proteínas fluorescentes también pueden servir como un medio para regular la actividad de las algas simbióticas fotosintéticas del coral. ^[44]

Cefalópodos

Alloteuthis subulata y Loligo vulgaris , dos tipos de calamares casi transparentes, tienen manchas fluorescentes sobre los ojos. Estas manchas reflejan la luz incidente, que puede servir como medio de camuflaje, pero también para enviar señales a otros calamares para que se reúnan en cardúmenes. ^[45]

Medusa

Aequoria victoria , medusa biofluorescente conocida por su GFP

Otro ejemplo de fluorescencia en el océano que ha sido bien estudiado es el hidrozoo Aequorea victoria . Esta medusa vive en la zona fótica de la costa oeste de América del Norte y fue identificada como portadora de la proteína fluorescente verde (GFP) por Osamu Shimomura . El gen de estas proteínas fluorescentes verdes ha sido aislado y es científicamente significativo porque se usa ampliamente en estudios genéticos para indicar la expresión de otros genes. ^[46]

Camarón mantis

Varias especies de camarones mantis , que son crustáceos estomatópodos , incluida Lysiosquillina glabriuscula , tienen marcas fluorescentes amarillas a lo largo de sus escamas antenales y caparazón (caparazón) que los machos presentan durante exhibiciones de amenaza a depredadores y otros machos. La exhibición implica levantar la cabeza y el tórax, extender los llamativos apéndices y otros maxilípedos, y extender las prominentes y ovaladas escamas antenales lateralmente, lo que hace que el animal parezca más grande y acentúa sus marcas fluorescentes amarillas. Además, a medida que aumenta la profundidad, la fluorescencia del camarón mantis representa una mayor parte de la luz visible disponible. Durante los rituales de apareamiento, el camarón mantis fluoresce activamente, y la longitud de onda de esta fluorescencia coincide con las longitudes de onda detectadas por sus pigmentos oculares. ^[47]

Zona afótica

Sifonóforos

Siphonophorae es un orden de animales marinos del filo Hydrozoa que consiste en un medusoide especializado y un pólipo zooide . Algunos sifonóforos, incluido el género Erenna que vive en la zona afótica entre profundidades de 1600 m y 2300 m, exhiben fluorescencia de amarilla a roja en los fotóforos de su tentilla similar a un tentáculo . Esta fluorescencia ocurre como un subproducto de la bioluminiscencia de estos mismos fotóforos. Los sifonóforos exhiben la fluorescencia en un patrón de parpadeo que se utiliza como un señuelo para atraer presas. ^[48]

Pez dragón

El pez dragón depredador de aguas profundas Malacosteus niger , el género estrechamente relacionado Aristostomias y la especie Pachystomias microdon utilizan pigmentos accesorios rojos fluorescentes para convertir la luz azul emitida por su propia bioluminiscencia en luz roja de fotóforos suborbitales . Esta luminiscencia roja es invisible para otros animales, lo que permite a estos peces dragón obtener luz adicional en las profundidades oscuras del océano sin atraer ni enviar señales a los depredadores. ^[49]

Terrestre

Anfibios

Rana arbórea con lunares fluorescentes bajo luz ultravioleta

La fluorescencia está muy extendida entre los anfibios y se ha documentado en varias familias de ranas , salamandras y cecilias , pero su extensión varía enormemente. ^[50]

La rana arbórea de lunares ( Hypsiboas punctatus ), ampliamente distribuida en América del Sur, fue descubierta involuntariamente como el primer anfibio fluorescente en 2017. La fluorescencia se atribuyó a un nuevo compuesto que se encuentra en las glándulas linfáticas y cutáneas. ^[51] El principal compuesto fluorescente es Hyloin-L1 y da un brillo azul verdoso cuando se expone a la luz violeta o ultravioleta . Los científicos detrás del descubrimiento sugirieron que la fluorescencia se puede utilizar para la comunicación. Especularon que la fluorescencia posiblemente esté relativamente extendida entre las ranas. ^[52] Solo unos meses después, se descubrió la fluorescencia en el estrechamente relacionado Hypsiboas atlanticus . Debido a que está vinculada a las secreciones de las glándulas cutáneas, también pueden dejar marcas fluorescentes en las superficies donde han estado. ^[53]

En 2019, se descubrió que otras dos ranas, el pequeño sapo calabaza ( Brachycephalus ephippium ) y el sapo calabaza rojo ( B. pitanga ) del sureste de Brasil, tenían esqueletos naturalmente fluorescentes, que son visibles a través de su piel cuando se exponen a la luz ultravioleta. ^{[54] [55]} Inicialmente se especuló que la fluorescencia complementaba sus colores ya aposemáticos (son tóxicos) o que estaba relacionada con la elección de pareja ( reconocimiento de especies o determinación de la aptitud de una pareja potencial), ^[54] pero estudios posteriores indican que la primera explicación es poco probable, ya que los intentos de depredación de los sapos parecen no verse afectados por la presencia/ausencia de fluorescencia. ^[56]

En 2020 se confirmó que la fluorescencia verde o amarilla está muy extendida no solo en ranas adultas expuestas a luz azul o ultravioleta, sino también entre renacuajos , salamandras y cecilias. La extensión varía mucho según la especie; en algunas es muy marcada y en otras apenas se nota. Puede estar basada en la pigmentación de su piel, su mucosidad o sus huesos. ^[50]

Mariposas

Las mariposas Papilio tienen sistemas complejos para emitir luz fluorescente. Sus alas contienen cristales impregnados de pigmento que proporcionan luz fluorescente dirigida. Estos cristales funcionan mejor para producir luz fluorescente cuando absorben la radiación de la luz azul celeste (longitud de onda de aproximadamente 420 nm). Las longitudes de onda de la luz que las mariposas ven mejor corresponden a la absorbancia de los cristales en las alas de la mariposa. Esto probablemente funciona para mejorar la capacidad de señalización. ^[57]

Loros

Los loros tienen un plumaje fluorescente que puede utilizarse para la señalización sexual. Un estudio que utilizó experimentos de elección de pareja en periquitos ( Melopsittacus undulates ) encontró un respaldo convincente a la señalización sexual fluorescente, ya que tanto los machos como las hembras preferían significativamente las aves con el estímulo experimental fluorescente. Este estudio sugiere que el plumaje fluorescente de los loros no es simplemente un subproducto de la pigmentación , sino una señal sexual adaptada. Considerando las complejidades de las vías que producen pigmentos fluorescentes, puede haber costos significativos involucrados. Por lo tanto, los individuos que exhiben una fuerte fluorescencia pueden ser indicadores honestos de alta calidad individual, ya que pueden lidiar con los costos asociados. ^[58]

Arácnidos

Escorpión fluorescente

Las arañas emiten fluorescencia bajo la luz ultravioleta y poseen una enorme diversidad de fluoróforos. Andrews, Reed y Masta observaron que las arañas son el único grupo conocido en el que la fluorescencia está "taxonómicamente extendida, se expresa de forma variable, es evolutivamente lábil y probablemente está sujeta a selección y es potencialmente de importancia ecológica para la señalización intraespecífica e interespecífica". ^[59] Demostraron que la fluorescencia evolucionó varias veces en los taxones de arañas, y que nuevos fluoróforos evolucionaron durante la diversificación de las arañas.

En algunas arañas, las señales ultravioleta son importantes para las interacciones depredador-presa, la comunicación intraespecífica y el camuflaje con flores fluorescentes. Diferentes contextos ecológicos podrían favorecer la inhibición o el aumento de la expresión de fluorescencia, dependiendo de si la fluorescencia ayuda a las arañas a ser crípticas o las hace más visibles para los depredadores. Por lo tanto, la selección natural podría estar actuando sobre la expresión de fluorescencia en todas las especies de arañas. ^[59]

Los escorpiones también son fluorescentes, en su caso debido a la presencia de betacarbolina en sus cutículas. ^[60]

Ornitorrinco

En 2020 se informó de fluorescencia en varios especímenes de ornitorrinco . ^[61]

Plantas

Muchas plantas son fluorescentes debido a la presencia de clorofila , que es probablemente la molécula fluorescente más ampliamente distribuida, produciendo emisión roja en un rango de longitudes de onda de excitación. ^[62] Este atributo de la clorofila es comúnmente utilizado por los ecólogos para medir la eficiencia fotosintética. ^[63]

La flor de Mirabilis jalapa contiene betacianinas fluorescentes de color violeta y betaxantinas fluorescentes de color amarillo. Bajo luz blanca, las partes de la flor que contienen solo betaxantinas aparecen amarillas, pero en las áreas donde están presentes tanto betaxantinas como betacianinas, la fluorescencia visible de la flor se desvanece debido a los mecanismos internos de filtrado de la luz. Anteriormente se había sugerido que la fluorescencia desempeñaba un papel en la atracción de polinizadores , sin embargo, más tarde se descubrió que la señal visual por fluorescencia es insignificante en comparación con la señal visual de la luz reflejada por la flor. ^[64]

Abiótico

Gemología, mineralogía y geología

Fluorescencia de aragonito

Collar de diamantes en bruto bajo luz ultravioleta (arriba) y luz normal (abajo)

Además del espato flúor homónimo , ^[65] muchas piedras preciosas y minerales pueden tener una fluorescencia distintiva o pueden fluorescer de manera diferente bajo la luz ultravioleta de onda corta, la luz ultravioleta de onda larga, la luz visible o los rayos X.

Muchos tipos de calcita y ámbar emiten fluorescencia bajo luz ultravioleta de onda corta, luz ultravioleta de onda larga y luz visible. Los rubíes , las esmeraldas y los diamantes muestran fluorescencia roja bajo luz ultravioleta de onda larga, luz azul y, a veces, verde; los diamantes también emiten luz bajo radiación de rayos X.

La fluorescencia en los minerales es causada por una amplia gama de activadores . En algunos casos, la concentración del activador debe restringirse por debajo de un cierto nivel, para evitar la extinción de la emisión fluorescente. Además, el mineral debe estar libre de impurezas como hierro o cobre , para evitar la extinción de la posible fluorescencia. El manganeso divalente , en concentraciones de hasta varios porcentajes, es responsable de la fluorescencia roja o naranja de la calcita , la fluorescencia verde de la willemita , la fluorescencia amarilla de la esperita y la fluorescencia naranja de la wollastonita y la clinohedrita . El uranio hexavalente , en forma del catión uranilo ( UO²⁺
₂), fluoresce en todas las concentraciones en un verde amarillento, y es la causa de la fluorescencia de minerales como la autunita o la andersonita , y, en baja concentración, es la causa de la fluorescencia de materiales como algunas muestras de ópalo hialita . El cromo trivalente en baja concentración es la fuente de la fluorescencia roja del rubí . El europio divalente es la fuente de la fluorescencia azul, cuando se ve en el mineral fluorita . Los lantánidos trivalentes como el terbio y el disprosio son los principales activadores de la fluorescencia amarilla cremosa exhibida por la variedad itrofluorita del mineral fluorita, y contribuyen a la fluorescencia naranja del circón . La powellita (molibdato de calcio) y la scheelita (tungstato de calcio) fluorescen intrínsecamente en amarillo y azul, respectivamente. Cuando se encuentran juntos en una solución sólida , la energía se transfiere del tungsteno, de mayor energía, al molibdeno, de menor energía , de modo que niveles relativamente bajos de molibdeno son suficientes para provocar una emisión amarilla en la scheelita , en lugar de azul. La esfalrita con bajo contenido de hierro (sulfuro de zinc) emite fluorescencia y fosforescencia en una gama de colores, influenciada por la presencia de varias impurezas traza.

El petróleo crudo presenta una fluorescencia de colores que va desde el marrón opaco de los petróleos pesados ​​y los alquitranes hasta el amarillo brillante y el blanco azulado de los petróleos muy ligeros y los condensados. Este fenómeno se utiliza en las perforaciones de exploración petrolera para identificar cantidades muy pequeñas de petróleo en los recortes de perforación y en las muestras de testigos.

Los ácidos húmicos y fúlvicos producidos por la degradación de la materia orgánica en los suelos ( humus ) también pueden fluorescer debido a la presencia de ciclos aromáticos en sus complejas estructuras moleculares . ^[66] Las sustancias húmicas disueltas en el agua subterránea se pueden detectar y caracterizar mediante espectrofluorimetría . ^{[67] [68] [69]}

Líquidos orgánicos

Las moléculas orgánicas que se encuentran naturalmente en la cerveza, como el triptófano , la tirosina y la fenilalanina , emiten fluorescencia verde, que va desde 500 nm (azul claro) a 600 nm (amarillo ámbar) cuando se iluminan con una luz láser de 450 nm (azul profundo). ^[70]

Las soluciones orgánicas (a base de carbono) como el antraceno o el estilbeno , disueltas en benceno o tolueno , emiten fluorescencia con la irradiación de rayos ultravioleta o gamma . Los tiempos de decaimiento de esta fluorescencia son del orden de nanosegundos, ya que la duración de la luz depende de la vida útil de los estados excitados del material fluorescente, en este caso el antraceno o el estilbeno. ^[71]

El centelleo se define como un destello de luz producido en un material transparente por el paso de una partícula (un electrón, una partícula alfa, un ion o un fotón de alta energía). El estilbeno y sus derivados se utilizan en los contadores de centelleo para detectar dichas partículas. El estilbeno también es uno de los medios de ganancia utilizados en los láseres de colorante .

Atmósfera

La fluorescencia se observa en la atmósfera cuando el aire está bajo un bombardeo energético de electrones. En casos como la aurora natural , las explosiones nucleares a gran altitud y los experimentos con cañones de electrones lanzados desde cohetes, las moléculas y los iones formados tienen una respuesta fluorescente a la luz. ^[72]

Materiales comunes que emiten fluorescencia

• La vitamina B2 presenta fluorescencia amarilla.
• El agua tónica emite fluorescencia azul debido a la presencia de quinina .
• La tinta resaltadora suele ser fluorescente debido a la presencia de piranina .
• Los billetes , sellos postales y tarjetas de crédito suelen tener elementos de seguridad fluorescentes.

En tecnología novedosa

En agosto de 2020, los investigadores informaron sobre la creación de los materiales ópticos sólidos fluorescentes más brillantes hasta el momento al permitir la transferencia de propiedades de tintes altamente fluorescentes a través del aislamiento espacial y electrónico de los tintes al mezclar tintes catiónicos con macrociclos de cianoestrellas que se unen a aniones . Según un coautor, estos materiales pueden tener aplicaciones en áreas como la recolección de energía solar, la bioimagen y los láseres. ^{[73] [74] [75] [76]}

Aplicaciones

Iluminación

Pintura fluorescente y plástico iluminados con lámparas UV-A ( luz negra ). Pinturas de Beo Beyond.

La lámpara fluorescente común se basa en la fluorescencia. Dentro del tubo de vidrio hay un vacío parcial y una pequeña cantidad de mercurio . Una descarga eléctrica en el tubo hace que los átomos de mercurio emitan principalmente luz ultravioleta. El tubo está revestido con una capa de un material fluorescente, llamado fósforo , que absorbe la luz ultravioleta y reemite luz visible. La iluminación fluorescente es más eficiente energéticamente que los elementos de iluminación incandescente . Sin embargo, el espectro desigual de las lámparas fluorescentes tradicionales puede hacer que ciertos colores parezcan diferentes a cuando se iluminan con luz incandescente o luz diurna . El espectro de emisión de vapor de mercurio está dominado por una línea UV de onda corta a 254 nm (que proporciona la mayor parte de la energía a los fósforos), acompañada de emisión de luz visible a 436 nm (azul), 546 nm (verde) y 579 nm (amarillo-naranja). Estas tres líneas se pueden observar superpuestas en el continuo blanco utilizando un espectroscopio de mano, para la luz emitida por los tubos fluorescentes blancos habituales. Estas mismas líneas visibles, acompañadas por las líneas de emisión del europio trivalente y del terbio trivalente, y además acompañadas por el continuo de emisión del europio divalente en la región azul, comprenden la emisión de luz más discontinua de los sistemas de fósforo tricromático modernos utilizados en muchas lámparas fluorescentes compactas y lámparas tradicionales donde una mejor reproducción del color es un objetivo. ^[77]

Las luces fluorescentes estuvieron disponibles por primera vez para el público en la Feria Mundial de Nueva York de 1939. Las mejoras desde entonces han consistido principalmente en mejores fósforos, una vida útil más prolongada, una descarga interna más uniforme y formas más fáciles de usar (como las lámparas fluorescentes compactas). Algunas lámparas de descarga de alta intensidad (HID) combinan su eficiencia eléctrica aún mayor con la mejora del fósforo para lograr una mejor reproducción del color. ^[78]

Los diodos emisores de luz blanca (LED) se pusieron a disposición del público a mediados de los años 1990 como lámparas LED , en las que la luz azul emitida por el semiconductor incide sobre los fósforos depositados en el diminuto chip. La combinación de la luz azul que pasa a través del fósforo y la fluorescencia verde a roja de los fósforos produce una emisión neta de luz blanca. ^[79]

Las barras luminosas a veces utilizan materiales fluorescentes para absorber la luz de la reacción quimioluminiscente y emitir luz de un color diferente. ^[77]

Química analítica

Muchos procedimientos analíticos implican el uso de un fluorómetro , generalmente con una única longitud de onda de excitación y una única longitud de onda de detección. Debido a la sensibilidad que ofrece el método, se pueden medir concentraciones de moléculas fluorescentes tan bajas como 1 parte por billón. ^[80]

La fluorescencia en varias longitudes de onda se puede detectar mediante un detector de matriz para detectar compuestos del flujo de HPLC . Además, las placas de TLC se pueden visualizar si los compuestos o un reactivo colorante son fluorescentes. La fluorescencia es más eficaz cuando hay una mayor proporción de átomos en niveles de energía más bajos en una distribución de Boltzmann . Existe, entonces, una mayor probabilidad de excitación y liberación de fotones por átomos de menor energía, lo que hace que el análisis sea más eficiente.

Espectroscopia

Por lo general, la configuración de un ensayo de fluorescencia implica una fuente de luz, que puede emitir muchas longitudes de onda de luz diferentes. En general, se requiere una sola longitud de onda para un análisis adecuado, por lo que, para filtrar selectivamente la luz, se pasa a través de un monocromador de excitación y luego esa longitud de onda elegida pasa a través de la celda de muestra. Después de la absorción y reemisión de la energía, pueden surgir muchas longitudes de onda debido al desplazamiento de Stokes y varias transiciones de electrones . Para separarlas y analizarlas, la radiación fluorescente pasa a través de un monocromador de emisión y se observa selectivamente mediante un detector. ^[81]

Láseres

La cavidad interna de un láser colorante ajustado a 589 nm. El haz verde de un láser Nd:YAG de frecuencia duplicada hace que la solución colorante emita fluorescencia amarilla, lo que crea un haz entre el conjunto de espejos.

Los láseres suelen utilizar la fluorescencia de ciertos materiales como medio activo, como el resplandor rojo producido por un rubí (zafiro de cromo), el infrarrojo del zafiro de titanio o la gama ilimitada de colores producidos por tintes orgánicos . Estos materiales normalmente emiten fluorescencia a través de un proceso llamado emisión espontánea , en el que la luz se emite en todas las direcciones y, a menudo, en muchas líneas espectrales discretas a la vez. En muchos láseres, el medio fluorescente se "bombea" al exponerlo a una fuente de luz intensa, lo que crea una inversión de población , lo que significa que más de sus átomos pasan a un estado excitado (alta energía) en lugar de un estado fundamental (baja energía). Cuando esto ocurre, la fluorescencia espontánea puede inducir a los demás átomos a emitir sus fotones en la misma dirección y en la misma longitud de onda, creando una emisión estimulada . Cuando una parte de la fluorescencia espontánea queda atrapada entre dos espejos, casi toda la fluorescencia del medio puede estimularse para que emita a lo largo de la misma línea, produciendo un rayo láser. ^[82]

Bioquímica y medicina

Células endoteliales bajo el microscopio con tres canales separados que marcan componentes celulares específicos

La fluorescencia en las ciencias biológicas se utiliza generalmente como una forma no destructiva de seguimiento o análisis de moléculas biológicas mediante la emisión fluorescente a una frecuencia específica donde no hay fondo de la luz de excitación, ya que relativamente pocos componentes celulares son naturalmente fluorescentes (llamada fluorescencia intrínseca o autofluorescencia ). De hecho, una proteína u otro componente puede ser "marcado" con un fluoróforo extrínseco, un tinte fluorescente que puede ser una molécula pequeña, proteína o punto cuántico, encontrando un amplio uso en muchas aplicaciones biológicas. ^{[14] (p  xxvi )}

La cuantificación de un colorante se realiza con un espectrofluorómetro y encuentra aplicaciones adicionales en:

Microscopía

• Al escanear la intensidad de fluorescencia a lo largo de un plano, se obtiene una microscopía de fluorescencia de tejidos, células o estructuras subcelulares, que se logra marcando un anticuerpo con un fluoróforo y permitiendo que el anticuerpo encuentre su antígeno objetivo dentro de la muestra. Marcar múltiples anticuerpos con diferentes fluoróforos permite la visualización de múltiples objetivos dentro de una sola imagen (múltiples canales). Los microarrays de ADN son una variante de esto.
• Inmunología: Un anticuerpo se prepara primero uniéndolo con un grupo químico fluorescente, y los sitios (por ejemplo, en una muestra microscópica) donde se ha unido el anticuerpo se pueden ver, e incluso cuantificar, mediante la fluorescencia.
• FLIM ( Microscopía de Imágenes de Duración de Vida de Fluorescencia ) se puede utilizar para detectar ciertas interacciones biomoleculares que se manifiestan al influir en la duración de la fluorescencia.
• Biología celular y molecular: detección de colocalización mediante anticuerpos marcados con fluorescencia para la detección selectiva de los antígenos de interés utilizando software especializado como ImageJ.

Otras técnicas

• FRET ( transferencia de energía de resonancia de Förster , también conocida como transferencia de energía de resonancia de fluorescencia ) se utiliza para estudiar interacciones de proteínas, detectar secuencias específicas de ácidos nucleicos y se utiliza como biosensores, mientras que el tiempo de vida de fluorescencia (FLIM) puede proporcionar una capa adicional de información.
• Biotecnología: se están estudiando biosensores que utilizan fluorescencia como posibles biosensores de glucosa fluorescentes .
• Secuenciación automatizada de ADN mediante el método de terminación de cadena ; cada una de las cuatro bases de terminación de cadena diferentes tiene su propia etiqueta fluorescente específica. A medida que se separan las moléculas de ADN marcadas, la etiqueta fluorescente se excita mediante una fuente de UV y la identidad de la base que termina la molécula se identifica mediante la longitud de onda de la luz emitida.
• FACS ( clasificación celular activada por fluorescencia ). Una de las varias técnicas de clasificación celular importantes que se utilizan para separar diferentes líneas celulares (especialmente aquellas aisladas de tejidos animales).
• Detección de ADN: el compuesto bromuro de etidio , en solución acuosa, tiene muy poca fluorescencia, ya que se extingue con el agua. La fluorescencia del bromuro de etidio aumenta considerablemente después de unirse al ADN, por lo que este compuesto es muy útil para visualizar la ubicación de los fragmentos de ADN en la electroforesis en gel de agarosa . El etidio intercalado se encuentra en un entorno hidrófobo cuando se encuentra entre los pares de bases del ADN, protegido de la extinción por el agua que está excluida del entorno local del etidio intercalado. El bromuro de etidio puede ser cancerígeno; una alternativa posiblemente más segura es el colorante SYBR Green .
• FIGS ( cirugía guiada por imágenes de fluorescencia ) es una técnica de imágenes médicas que utiliza fluorescencia para detectar estructuras correctamente etiquetadas durante la cirugía.
• La fluorescencia intravascular es una técnica de imágenes médicas basada en catéter que utiliza la fluorescencia para detectar características de alto riesgo de aterosclerosis y dispositivos de stent vasculares no curados. ^[83] La autofluorescencia de la placa se ha utilizado en un estudio pionero en humanos en arterias coronarias en combinación con tomografía de coherencia óptica . ^[84] También se han utilizado agentes moleculares para detectar características específicas, como la acumulación de fibrina en el stent y la actividad enzimática relacionada con la inflamación de las arterias. ^[85]
• SAFI (imágenes de fluorescencia alteradas por especies) es una técnica de obtención de imágenes en electrocinética y microfluídica . ^[86] Utiliza colorantes no electromigratorios cuya fluorescencia se extingue fácilmente mediante la migración de especies químicas de interés. Los colorantes suelen estar sembrados en todas partes en el flujo y se observa directamente la extinción diferencial de su fluorescencia por parte de los analitos.
• Ensayos basados ​​en fluorescencia para detectar sustancias químicas tóxicas . Los ensayos ópticos consisten en una mezcla de colorantes fluorescentes sensibles al medio ambiente y células de piel humana que generan patrones de espectros de fluorescencia. ^[87] Este enfoque puede reducir la necesidad de animales de laboratorio en la investigación biomédica y la industria farmacéutica.
• Detección de márgenes óseos: los especímenes teñidos con alizarina y ciertos fósiles pueden iluminarse con luces fluorescentes para ver las estructuras anatómicas, incluidos los márgenes óseos. ^[88]

Ciencias forenses

Las huellas dactilares se pueden visualizar con compuestos fluorescentes como la ninhidrina o el DFO ( 1,8-diazafluoren-9-ona ). La sangre y otras sustancias a veces se detectan con reactivos fluorescentes, como la fluoresceína . Las fibras y otros materiales que se pueden encontrar en la ciencia forense o que tienen relación con diversos objetos de colección a veces son fluorescentes.

Pruebas no destructivas

La inspección con líquidos penetrantes fluorescentes se utiliza para detectar grietas y otros defectos en la superficie de una pieza. El rastreo con tintes fluorescentes se utiliza para detectar fugas en sistemas de tuberías de gas y líquido.

Señalización

Una señal de tráfico con las palabras "zona escolar" sobre un fondo amarillo fluorescente.

Los colores fluorescentes se utilizan con frecuencia en la señalización , en particular en las señales de tráfico. Los colores fluorescentes suelen reconocerse a mayor distancia que sus homólogos no fluorescentes, siendo el naranja fluorescente especialmente perceptible. ^[89] Esta propiedad ha llevado a su uso frecuente en señales y etiquetas de seguridad.

Blanqueadores ópticos

Los compuestos fluorescentes se utilizan a menudo para mejorar el aspecto de las telas y el papel, lo que provoca un efecto de "blanqueamiento". Una superficie blanca tratada con un abrillantador óptico puede emitir más luz visible que la que brilla sobre ella, lo que hace que parezca más brillante. La luz azul emitida por el abrillantador compensa la disminución del azul del material tratado y cambia el tono del amarillo o el marrón al blanco. Los abrillantadores ópticos se utilizan en detergentes para ropa, papel de alto brillo, cosméticos, ropa de alta visibilidad y más.

Véase también

• Los filtros de línea atómicos de absorción-reemisión utilizan el fenómeno de la fluorescencia para filtrar la luz de forma extremadamente eficaz.
• Luz negra
• Pintura de luz negra
• Fotometría de fibra
• Etiqueta activadora de fluorescencia y de cambio de absorción
• Espectroscopia de correlación de fluorescencia
• Cirugía guiada por imágenes de fluorescencia
• Fluorescencia en plantas
• Espectroscopia de fluorescencia
• Lámpara fluorescente
• Disco multicapa fluorescente
• Fluorómetro
• Ropa de alta visibilidad
• Fluorómetro integrado
• Fluorescencia inducida por láser
• Lista de fuentes de luz
• Arte microbiano , utilizando bacterias fluorescentes
• Efecto Mössbauer , fluorescencia resonante de rayos gamma
• Los diodos orgánicos emisores de luz pueden ser fluorescentes.
• Fosforescencia
• Termometría de fósforo , el uso de la fosforescencia para medir la temperatura.
• Espectroscopia
• Absorción de dos fotones
• Espectroscopia vibrónica
• Fluorescencia de rayos X

Referencias

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Lectura adicional

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Enlaces externos

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