Articulo de referencia

Fluorescencia

Los minerales fluorescentes emiten luz visible cuando se exponen a la luz ultravioleta . Organismos marinos fluorescentes Ropa fluorescente utilizada en producciones teatrales c...

Los minerales fluorescentes emiten luz visible cuando se exponen a la luz ultravioleta .
Organismos marinos fluorescentes
Ropa fluorescente utilizada en producciones teatrales con luz negra , Praga.

La fluorescencia es uno de los dos tipos de fotoluminiscencia , la emisión de luz por una sustancia que ha absorbido luz u otra radiación electromagnética . Al exponerse a la radiación ultravioleta , muchas sustancias emiten luz visible de color (fluorescencia). El color de la luz emitida depende de la composición química de la sustancia. Los materiales fluorescentes generalmente dejan de brillar casi inmediatamente cuando cesa la fuente de radiación. Esto los distingue del otro tipo de emisión de luz, la fosforescencia . Los materiales fosforescentes continúan emitiendo luz durante un tiempo después de que cesa la radiación. Esta diferencia en la duración se debe a efectos de espín cuántico .

La fluorescencia se produce cuando una molécula absorbe un fotón de la radiación incidente , excitándola a un nivel de energía superior , seguido de la emisión de luz al regresar a un estado de energía inferior. La luz emitida puede tener una longitud de onda mayor y, por lo tanto, una energía fotónica menor que la radiación absorbida. Por ejemplo, la radiación absorbida podría estar en la región ultravioleta del espectro electromagnético (invisible para el ojo humano), mientras que la luz emitida se encuentra en la región visible . Esto confiere a la sustancia fluorescente un color distintivo , que se aprecia mejor al exponerla a la luz ultravioleta , haciendo que parezca brillar en la oscuridad. Sin embargo, cualquier luz con una longitud de onda más corta puede provocar que un material fluoresca a una longitud de onda mayor. Los materiales fluorescentes también pueden ser excitados por ciertas longitudes de onda de luz visible, lo que puede enmascarar el brillo, aunque sus colores pueden parecer brillantes e intensificados. Otros materiales fluorescentes emiten su luz en las regiones infrarroja o incluso ultravioleta del espectro.

La fluorescencia tiene numerosas aplicaciones prácticas, entre ellas mineralogía , gemología , medicina , sensores químicos ( espectroscopia de fluorescencia ), marcaje fluorescente , colorantes , detectores biológicos, detección de rayos cósmicos, pantallas fluorescentes de vacío y tubos de rayos catódicos . Su aplicación cotidiana más común se encuentra en lámparas fluorescentes ( de descarga de gas ) y lámparas LED , donde los recubrimientos fluorescentes convierten la luz ultravioleta o azul en longitudes de onda más largas, lo que da como resultado luz blanca , que puede parecer indistinguible de la de la lámpara incandescente tradicional, pero de bajo consumo energético .

La fluorescencia también se presenta con frecuencia en la naturaleza, apareciendo en algunos minerales y en numerosas formas biológicas de todos los reinos de la vida. A esta última se la suele denominar biofluorescencia , lo que indica que el fluoróforo forma parte de un organismo vivo o deriva de él (en lugar de ser un colorante o tinte inorgánico ). Sin embargo, dado que la fluorescencia es el resultado de una propiedad química específica que a menudo puede sintetizarse artificialmente, generalmente basta con describir la sustancia como fluorescente .

Historia

Una taza hecha de la madera del árbol narra ( Pterocarpus indicus ) junto a un matraz que contiene su solución fluorescente Lignum nephriticum.
Matlalina, la sustancia fluorescente en la madera del árbol Eysenhardtia polystachya

La fluorescencia se observó mucho antes de que se le diera nombre y se comprendiera. [ 1 ] Los aztecas ya conocían la fluorescencia [ 1 ] y la describieron en 1560 Bernardino de Sahagún y en 1565 Nicolás Monardes en la infusión conocida como lignum nephriticum ( del latín "madera de riñón"). Esta se obtenía 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, producto de la oxidación de uno de los flavonoides presentes 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 era reflejada o (aparentemente) transmitida. Haüy interpretó erróneamente 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 diferente e incorrecta. [ 1 ]

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

En su artículo de 1852 sobre la "refrangibilidad" ( cambio de longitud de onda ) de la luz, George Gabriel Stokes describió la capacidad de la fluorita , 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 esta apariencia fluorescencia , de fluorita, como el término análogo opalescencia se deriva del nombre de un mineral." [ 10 ] (p479, nota al pie)

Ni Becquerel ni Stokes comprendieron un aspecto clave de la fotoluminiscencia: la diferencia crucial con la incandescencia , la emisión de luz por 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 según la temperatura de la fuente. [ 1 ]

Los avances en espectroscopia y electrónica cuántica entre las décadas de 1950 y 1970 permitieron distinguir entre los tres mecanismos diferentes que producen la luz, así como acotar las escalas de tiempo típicas que tardan estos mecanismos en decaer tras la absorción. En la ciencia moderna, esta distinción cobró importancia porque algunos dispositivos, como los láseres, requerían tiempos de decaimiento ultrarrápidos, que suelen estar en el rango de los nanosegundos (milmillonésimas de segundo). En física, este primer mecanismo se denominó "fluorescencia" o "emisión de singlete" y es común en muchos medios láser, como el rubí. Se descubrió que otros materiales fluorescentes tenían tiempos de decaimiento mucho más largos, ya que algunos átomos cambiaban su espín a un estado triplete , emitiendo así una intensa fluorescencia al ser excitados, pero produciendo un resplandor residual más tenue durante un breve periodo tras cesar la excitación, fenómeno que se denominó "fosforescencia" o "fosforescencia de triplete". Los tiempos de decaimiento típicos oscilaban entre unos pocos microsegundos y un segundo, lo cual, para el ojo humano, sigue siendo lo suficientemente rápido como para denominarse coloquialmente fluorescencia. Algunos ejemplos comunes son las lámparas fluorescentes, los colorantes orgánicos e incluso la fluorita. Los emisores de mayor duración, comúnmente denominados sustancias fosforescentes, variaban desde un segundo hasta varias horas, y este mecanismo se denominaba fosforescencia persistente o luminiscencia persistente para distinguirlo de los otros dos mecanismos. [ 11 ] : 1–25

Principios físicos

Mecanismo

Una lente esférica 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 reemite espontáneamente como luz roja. No toda la luz se absorbe, y una pequeña porción de la  luz láser de 520 nm se transmite a través de la parte superior, sin verse alterada por el color rojo del rubí.

Cuando una molécula, átomo o nanoestructura excitada emite un fotón y el estado de menor energía (generalmente el estado fundamental ) tiene la misma multiplicidad de espín electrónico que el estado excitado, el proceso se denomina fluorescencia . Cuando los estados inicial y final tienen diferente multiplicidad (espín), el fenómeno se denomina fosforescencia . [ 12 ]

Cuando una molécula en su estado fundamental (denominado S₀ ) se fotoexcita, puede terminar en cualquiera de varios estados electrónicos excitados (S₁ , S₂ , S₃ , ...). Puede ocupar diferentes estados vibracionales dentro del estado electrónico. Estos estados vibracionales se pueblan en proporción a su solapamiento con el estado fundamental según el principio de Franck-Condon . [ 13 ] : 31 Estos estados vibracionales excitados suelen decaer rápidamente al estado vibracional fundamental del estado electrónico excitado S₁ , seguido de una transición radiativa al estado fundamental o a estados vibracionales cercanos al estado fundamental. Esta transición se denomina fluorescencia. Todos estos estados son estados singlete . [ 14 ] : 225

Otra vía para la desexcitación es el cruce entre sistemas del estado S 1 a un estado triplete T 1. La desintegración de T 1 a S 0 suele ser más lenta y menos intensa, y se denomina fosforescencia. [ 14 ] : 225

Absorción de un fotón de energíahνmiincógnita{\displaystyle h\nu _{ex}}da como resultado un estado excitado de la misma multiplicidad (espín) que el estado fundamental, generalmente 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 ) transfiriendo energía a las moléculas del disolvente a través de procesos no radiativos, incluyendo la conversión interna seguida de la relajación vibracional, en la que la energía se disipa como calor . Por lo tanto, la energía de fluorescencia es típicamente menor que la energía de fotoexcitación. [ 13 ] : 38

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 ] 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 desde un estado excitado también puede ocurrir a través del apagamiento por colisión , un proceso donde una molécula (el apagador) colisiona con la molécula fluorescente durante la vida media de su estado excitado. El oxígeno molecular (O 2 ) es un apagador de fluorescencia extremadamente eficiente debido a 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. [ 15 ] (p10) [ 13 ]

Φ=Número de fotones emitidosNúmero de fotones absorbidos{\displaystyle \Phi ={\frac {\text{Número de fotones emitidos}}{\text{Número de fotones absorbidos}}}}

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

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

dóndekF{\displaystyle {k}_{f}}es la constante de velocidad de emisión espontánea de radiación y

iki{\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 denominan "tasas no radiativas", que pueden incluir:

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

Los rendimientos cuánticos de fluorescencia se miden por comparación con un estándar. [ 16 ] La sal de quinina , sulfato de quinina en una solución de ácido sulfúrico, se consideraba el estándar de fluorescencia más común, [ 17 ] 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 que puede considerarse una solución estándar confiable. [ 18 ]  

Vida

Diagrama de Jablonski . Tras absorber un fotón de alta energía, un electrón excita el sistema electrónica y vibracionalmente. El sistema se relaja vibracionalmente y, finalmente, emite fluorescencia a una longitud de onda mayor que la del fotón original de alta energía.

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 :

[S1]=[S1]0miΓt{\displaystyle \left[S_{1}\right]=\left[S_{1}\right]_{0}e^{-\Gamma t}}

dónde[S1]{\displaystyle \left[S_{1}\right]}es la concentración de moléculas en estado excitado en el tiempot{\displaystyle t},[S1]0{\displaystyle \left[S_{1}\right]_{0}}es la concentración inicial yΓ{\displaystyle \Gamma }es la tasa de decaimiento o el inverso del tiempo de vida de la fluorescencia. Este es un ejemplo de decaimiento exponencial . Diversos 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:

Γtot=Γrad+Γnorterad{\displaystyle \Gamma _{tot}=\Gamma _{rad}+\Gamma _{nrad}}

dóndeΓtot{\displaystyle \Gamma _{tot}}es la tasa de desintegración total,Γrad{\displaystyle \Gamma _{rad}}la tasa de desintegración radiativa yΓnorterad{\displaystyle \Gamma _{nrad}}la tasa de decaimiento no radiativo. 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 velocidades, es rápida, la vida media es corta. Para compuestos fluorescentes de uso común, los tiempos de decaimiento típicos del estado excitado para emisiones de fotones con energías desde el UV hasta el infrarrojo cercano están dentro del rango de 0,5 a 20 nanosegundos . La vida media de fluorescencia es un parámetro importante para aplicaciones prácticas de fluorescencia como la transferencia de energía de resonancia de fluorescencia y la microscopía de imagen de vida media de fluorescencia .

Diagrama de Jablonski

El diagrama de Jablonski describe la mayoría de los mecanismos de relajación para moléculas en estado excitado. El diagrama adjunto muestra cómo se produce la fluorescencia debido a la relajación de ciertos electrones excitados de una molécula. [ 19 ]

Anisotropía de fluorescencia

Los fluoróforos tienen mayor probabilidad de ser excitados por fotones si el momento de transición del fluoróforo es paralelo al vector eléctrico del fotón. [ 15 ] (pp12–13) 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 la polarización de la luz emitida dependen de la difusión rotacional. Por lo tanto, las mediciones de anisotropía pueden utilizarse para investigar la libertad de movimiento de una molécula fluorescente en un entorno particular.

La anisotropía de fluorescencia se puede definir cuantitativamente como

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

dóndeI{\ Displaystyle I _ {\ paralelo}}es la intensidad emitida paralela a la polarización de la luz de excitación yI{\displaystyle I_{\perp }}es la intensidad emitida perpendicular a la polarización de la luz de excitación. [ 13 ]

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 colorante no afectará al valor de la anisotropía siempre que la señal sea detectable.

Fluorescencia

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

Los pigmentos fuertemente fluorescentes suelen tener una apariencia inusual que se describe coloquialmente como un "color neón" (originalmente "day-glo" a finales de la década de 1960 y principios de la de 1970). Este fenómeno fue denominado "Farbenglut" por Hermann von Helmholtz y "fluorescencia" por Ralph M. Evans. Generalmente se cree que está relacionado con el alto brillo del color en comparación con lo que sería como componente del blanco. La fluorescencia desplaza la energía de la iluminación incidente de longitudes de onda más cortas a más largas (como del azul al amarillo) y, por lo tanto, puede hacer que el color fluorescente parezca más brillante (más saturado) de lo que podría ser por simple reflexión. [ 20 ]

Normas

Existen varias reglas generales que rigen 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 ).

El gobierno de Kasha

La regla de Kasha establece que la luminiscencia (fluorescencia o fosforescencia) de una molécula se emitirá únicamente desde el estado excitado más bajo de su multiplicidad dada. [ 21 ] La regla de Vavilov (una extensión lógica de la regla de Kasha, denominada regla de Kasha-Vavilov) dicta que el rendimiento cuántico de la luminiscencia es independiente de la longitud de onda de la radiación excitadora y es proporcional a la absorbancia de dicha longitud de onda. [ 22 ] La regla de Kasha no siempre se aplica y es violada por moléculas simples, como el azuleno. [ 23 ] Una afirmación algo más fiable, aunque aún con excepciones, sería que el espectro de fluorescencia muestra muy poca dependencia de la longitud de onda de la radiación excitadora. [ 24 ]

Regla de la imagen especular

El colorante fluorescente rodamina 6G se utiliza comúnmente 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. [ 15 ] (pp6–8) Esto se conoce como la regla de la imagen especular y está relacionado con el principio de Franck-Condon , que establece que las transiciones electrónicas son verticales, es decir, la energía cambia sin que cambie la 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.

Desplazamiento de Stokes

En general, la luz de fluorescencia emitida tiene una longitud de onda mayor y menor energía que la luz absorbida. [ 15 ] (pp6–7) 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 frecuentemente deja un fluoróforo en un nivel vibracional más alto del estado fundamental.

En la naturaleza

Coral fluorescente

Existen muchos compuestos naturales que presentan fluorescencia y que tienen diversas aplicaciones. Algunos animales de las profundidades marinas, como el pez de ojos verdes , poseen estructuras fluorescentes.

En comparación con la bioluminiscencia y la biofosforescencia

Fluorescencia

La fluorescencia es el fenómeno de absorción de radiación electromagnética , generalmente luz ultravioleta o visible , por una molécula y la posterior emisión de un fotón de menor energía (menor frecuencia, mayor longitud de onda). Esto provoca que la luz emitida tenga un color diferente al de la luz absorbida. 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 media del estado excitado es corta, por lo que la emisión de luz generalmente solo se observa cuando la luz absorbente está presente. La fluorescencia puede ser de cualquier longitud de onda, pero suele ser más significativa cuando los fotones emitidos se encuentran en el espectro visible. Cuando ocurre en un organismo vivo, a veces se denomina biofluorescencia. La fluorescencia no debe confundirse con la bioluminiscencia ni la biofosforescencia. [ 25 ] Los sapos calabaza que viven en la selva atlántica brasileña son fluorescentes. [ 26 ]

Bioluminiscencia

La bioluminiscencia se diferencia de la fluorescencia en que la bioluminiscencia es la producción natural de luz mediante reacciones químicas dentro de un organismo, mientras que la fluorescencia es la absorción y reemisión de luz del entorno. [ 25 ] Las luciérnagas y los peces pescadores son dos ejemplos de organismos bioluminiscentes. [ 27 ] Para aumentar la posible confusión, algunos organismos son tanto bioluminiscentes como fluorescentes, como la anémona marina Renilla reniformis , donde la bioluminiscencia sirve como fuente de luz para la fluorescencia. [ 28 ]

Fosforescencia

La fosforescencia es similar a la fluorescencia en su requerimiento de longitudes de onda de luz como fuente de energía de excitación. La diferencia radica en la estabilidad relativa del electrón energizado. A diferencia de la fluorescencia, en la fosforescencia el electrón conserva su estabilidad, emitiendo luz que continúa brillando en la oscuridad incluso después de que se haya retirado la fuente de luz estimulante. [ 25 ] Por ejemplo, las pegatinas que brillan en la oscuridad son fosforescentes, pero no se conocen animales verdaderamente biofosforescentes . [ 29 ]

Mecanismos

Cromatóforos epidérmicos

Las células pigmentarias que exhiben fluorescencia se denominan cromatóforos fluorescentes y funcionan somáticamente de forma similar a los cromatóforos regulares . Estas células son dendríticas y contienen pigmentos llamados fluorosomas. Estos pigmentos contienen proteínas fluorescentes que se activan por iones K+ (potasio), y es su movimiento, agregación y dispersión dentro del cromatóforo fluorescente lo que causa el patrón de fluorescencia dirigido. [ 30 ] [ 31 ] 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 fluorescente a corto plazo están controlados por el sistema nervioso. [ 30 ] 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 en los peces también responden a estímulos hormonales mediante las hormonas α-MSH y MCH de forma muy similar a los melanóforos. Esto sugiere que las células fluorescentes pueden experimentar cambios de color a lo largo del día que coinciden con su ritmo circadiano . [ 32 ] Los peces también pueden ser sensibles a las respuestas de estrés inducidas por el cortisol ante estímulos ambientales, como la interacción con un depredador o la participación en un ritual de apareamiento. [ 30 ]

Filogenética

Orígenes evolutivos

La incidencia de la fluorescencia en el árbol de la vida es generalizada y se ha estudiado con mayor profundidad en cnidarios y peces. El fenómeno parece haber evolucionado varias veces en múltiples taxones , como en los anguilliformes (anguilas), gobioideos (gobios y peces cardenal) y tetradontiformes (peces ballesta), además de otros taxones que se analizan más adelante en el artículo. La fluorescencia presenta una alta variabilidad genotípica y fenotípica, incluso dentro de los ecosistemas, en cuanto a las longitudes de onda emitidas, los patrones mostrados y la intensidad de la fluorescencia. Generalmente, las especies que dependen del camuflaje exhiben la mayor diversidad de fluorescencia, probablemente porque el camuflaje puede ser uno de los usos de la fluorescencia. [ 33 ]

Se observaron casos de biofluorescencia verde y roja en Actinopterygii.
La fluorescencia tiene múltiples orígenes en el árbol de la vida. Este diagrama muestra sus orígenes en los actinopterigios (peces con aletas radiadas).

Algunos científicos sospechan que las GFP y las proteínas similares a la GFP se originaron como donantes de electrones activados por la luz. Estos electrones se utilizaban posteriormente en 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 secundariamente. [ 34 ]

Funciones adaptativas

Actualmente, se sabe relativamente poco sobre la importancia funcional de la fluorescencia y las proteínas fluorescentes. [ 34 ] Sin embargo, se sospecha que la fluorescencia puede desempeñar funciones importantes en la señalización y 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. [ 35 ]

Acuático

El agua absorbe la luz de longitudes de onda largas, por lo que llega menos luz de estas longitudes de onda al ojo. Por lo tanto, los colores cálidos del espectro de luz visible parecen menos vibrantes a mayor profundidad. El agua dispersa la luz de longitudes de onda más cortas que el violeta, lo que significa que los colores 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 75 m de profundidad, la luz es un 10 % tan intensa como en la superficie, y a 150 m es solo un 1 % tan intensa como en la superficie. Debido a que el agua filtra las longitudes de onda y la intensidad de la luz a 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 peces pueden detectar luz a profundidades de hasta 1000 m. A estas profundidades de la zona afótica, las únicas fuentes de luz son los propios organismos, que emiten luz mediante reacciones químicas en un proceso llamado bioluminiscencia.

La fluorescencia se define simplemente como la absorción de radiación electromagnética en una longitud de onda y su reemisión en otra longitud de onda de menor energía. [ 33 ] Por lo tanto, cualquier tipo de fluorescencia depende de la presencia de fuentes de luz externas. La fluorescencia biológicamente funcional se encuentra en la zona fótica, donde no solo hay suficiente luz para causar fluorescencia, sino también para que otros organismos la detecten. [ 36 ] 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 más común, el naranja el tercero y el rojo el más raro. La fluorescencia puede ocurrir en organismos de 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 son un área activa de investigación. [ 37 ]

Zona fótica

Pez
Peces marinos fluorescentes

Los peces óseos que viven en aguas poco profundas generalmente tienen 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 sirve como medio de comunicación con congéneres , especialmente dada la gran variabilidad fenotípica del fenómeno. [ 33 ]

Muchos peces que exhiben fluorescencia, como tiburones , peces lagarto , peces escorpión , lábridos y peces planos , también poseen filtros intraoculares amarillos. [ 38 ] Los filtros intraoculares amarillos en los cristalinos y la córnea de ciertos peces funcionan como filtros de paso largo. Estos filtros permiten a la especie visualizar y potencialmente explotar la fluorescencia, para mejorar el contraste visual y los patrones que no son visibles para otros peces y depredadores que carecen de esta especialización visual. [ 33 ] Los peces que poseen los filtros intraoculares amarillos necesarios para visualizar la fluorescencia potencialmente explotan una señal luminosa de miembros de ella. El patrón fluorescente era especialmente prominente 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 dichos patrones. [ 38 ]

Otro uso adaptativo de la fluorescencia es generar luz naranja y roja a partir de la luz azul ambiental de la zona fótica para facilitar 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. [ 39 ] Muchas especies de peces que presentan fluorescencia son pequeñas, viven en grupos o son bentónicas/afóticas, y tienen patrones conspicuos. Este patrón es causado por tejido fluorescente y es visible para otros miembros de la especie, sin embargo, es invisible en otros espectros visuales. Estos patrones fluorescentes intraespecíficos también coinciden con la señalización intraespecífica. 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 de su movimiento. [ 39 ] La investigación actual sospecha que esta fluorescencia roja se utiliza para la comunicación privada entre miembros de la misma especie. [ 30 ] [ 33 ] [ 39 ] Debido a la prominencia de la luz azul en las profundidades oceánicas, 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. Peces como el lábrido hada, que han desarrollado sensibilidad visual a longitudes de onda más largas, pueden mostrar señales fluorescentes rojas que dan un alto contraste al entorno azul y son conspicuas para los congéneres a corta distancia, pero son relativamente invisibles para otros peces comunes que tienen sensibilidad reducida a longitudes de onda largas. Por lo tanto, la fluorescencia puede usarse como señalización adaptativa y comunicación intraespecífica en peces de arrecife. [ 39 ] [ 40 ]

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. [ 39 ]

Tiburones

Se describió un nuevo fluoróforo en dos especies de tiburones, debido a un grupo no descrito de metabolitos de moléculas pequeñas de triptófano-quinurenina bromadas. [ 41 ]

Coral

La fluorescencia cumple una amplia variedad de funciones en los corales. Las proteínas fluorescentes en los corales pueden contribuir a la fotosíntesis al convertir longitudes de onda de luz que de otro modo serían inutilizables en longitudes de onda para las que las algas simbióticas del coral pueden realizar la fotosíntesis . [ 42 ] Además, la cantidad de proteínas puede fluctuar según la disponibilidad de luz, como mecanismo de fotoaclimatación. [ 43 ] De manera similar, estas proteínas fluorescentes pueden poseer capacidades antioxidantes para eliminar los radicales de oxígeno producidos por la fotosíntesis. [ 44 ] Finalmente, al modular la fotosíntesis, las proteínas fluorescentes también pueden servir como un medio para regular la actividad de las algas simbiontes fotosintéticas del coral. [ 45 ]

cefalópodos

Alloteuthis subulata y Loligo vulgaris , dos tipos de calamares casi transparentes, tienen manchas fluorescentes sobre los ojos. Estas manchas reflejan la luz incidente, lo que puede servir como medio de camuflaje, pero también para enviar señales a otros calamares con fines de formación de cardúmenes. [ 46 ]

Medusa
Aequoria victoria , medusa biofluorescente conocida por su GFP

Otro ejemplo bien estudiado de fluorescencia en el océano es el hidrozoo Aequorea victoria . Esta medusa vive en la zona fótica frente a la costa oeste de Norteamérica y fue identificada como portadora de la proteína verde fluorescente (GFP) por Osamu Shimomura . El gen de estas proteínas verdes fluorescentes ha sido aislado y tiene importancia científica porque se utiliza ampliamente en estudios genéticos para indicar la expresión de otros genes. [ 47 ]

Camarón mantis

Varias especies de camarones mantis , crustáceos estomatópodos , incluyendo Lysiosquillina glabriuscula , presentan marcas fluorescentes amarillas a lo largo de sus escamas antenales y caparazón (concha) que los machos exhiben durante las demostraciones de amenaza a depredadores y otros machos. La exhibición consiste en elevar la cabeza y el tórax, extender los llamativos apéndices y otros maxilípedos, y extender lateralmente las prominentes escamas antenales ovaladas, 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, los camarones mantis fluorescen activamente, y la longitud de onda de esta fluorescencia coincide con las longitudes de onda detectadas por sus pigmentos oculares. [ 48 ]

zona afótica

Sifonóforos

Siphonophorae es un orden de animales marinos del filo Hydrozoa que consiste en un zooide medusoide y polipoide especializado . Algunos sifonóforos, incluido el género Erenna, que viven en la zona afótica entre los 1600 m y los 2300 m de profundidad, exhiben fluorescencia amarilla a roja en los fotóforos de sus tentáculos . Esta fluorescencia se produce como subproducto de la bioluminiscencia de estos mismos fotóforos. Los sifonóforos exhiben la fluorescencia en un patrón de destellos que utilizan como señuelo para atraer presas. [ 49 ]

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 proveniente de fotóforos suborbitales . Esta luminiscencia roja es invisible para otros animales, lo que permite a estos peces dragón obtener luz adicional en las oscuras profundidades oceánicas sin atraer ni alertar a los depredadores. [ 50 ]

Terrestre

Anfibios

Rana arborícola fluorescente con lunares 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. [ 51 ]

La rana arborícola de lunares ( Hypsiboas punctatus ), muy extendida en Sudamérica, fue descubierta accidentalmente como el primer anfibio fluorescente en 2017. La fluorescencia se atribuyó a un nuevo compuesto hallado en las glándulas linfáticas y cutáneas. [ 52 ] El principal compuesto fluorescente es la Hyloin-L1, que emite un brillo azul verdoso al exponerse a la luz violeta o ultravioleta . Los científicos responsables del descubrimiento sugirieron que la fluorescencia podría utilizarse para la comunicación. Especularon que la fluorescencia posiblemente esté relativamente extendida entre las ranas. [ 53 ] Tan solo unos meses después, se descubrió la fluorescencia en la especie estrechamente relacionada Hypsiboas atlanticus . Debido a que está vinculada a las secreciones de las glándulas cutáneas, también pueden dejar marcas fluorescentes en las superficies por donde han estado. [ 54 ]

En 2019, se descubrió que otras dos ranas, el sapo calabaza diminuto ( Brachycephalus ephippium ) y el sapo calabaza rojo ( B. pitanga ) del sureste de Brasil, tenían esqueletos fluorescentes naturales, que son visibles a través de su piel cuando se exponen a la luz ultravioleta. [ 55 ] [ 56 ] Inicialmente se especuló que la fluorescencia complementaba sus colores aposemáticos ya existentes (son tóxicos) o que estaba relacionada con la elección de pareja ( reconocimiento de especies o determinación de la aptitud de una pareja potencial), [ 55 ] pero estudios posteriores indican que la primera explicación es improbable, ya que los intentos de depredación sobre los sapos no parecen verse afectados por la presencia/ausencia de fluorescencia. [ 57 ]

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. Su intensidad varía considerablemente según la especie; en algunas es muy marcada y en otras apenas perceptible. Puede deberse a la pigmentación de su piel, su mucosidad o sus huesos. [ 51 ]

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 luz que mejor perciben las mariposas corresponden a la absorbancia de los cristales en sus alas. Esto probablemente mejora su capacidad de señalización. [ 58 ]

Loros

Los loros poseen un plumaje fluorescente que podría utilizarse para la selección de pareja. Un estudio que empleó experimentos de elección de pareja en periquitos ( Melopsittacus undulatus ) halló pruebas contundentes de la existencia de señales sexuales fluorescentes, ya que tanto machos como hembras mostraron una preferencia significativa por 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. Dada la complejidad de las vías que producen los pigmentos fluorescentes, es posible que existan costos significativos involucrados. Por lo tanto, los individuos que exhiben una fuerte fluorescencia podrían ser indicadores fiables de una alta calidad individual, dado que pueden afrontar los costos asociados. [ 59 ]

Arácnidos

escorpión fluorescente

Las arañas emiten fluorescencia bajo 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 tiene una importancia ecológica potencial para la señalización intraespecífica e interespecífica". [ 60 ] Demostraron que la fluorescencia evolucionó varias veces en los distintos taxones de arañas, con nuevos fluoróforos que 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. Los distintos contextos ecológicos podrían favorecer la inhibición o el aumento de la expresión de fluorescencia, dependiendo de si esta ayuda a las arañas a pasar desapercibidas o las hace más visibles para los depredadores. Por lo tanto, la selección natural podría estar actuando sobre la expresión de fluorescencia en las diferentes especies de arañas. [ 60 ]

Los escorpiones también son fluorescentes, en su caso debido a la presencia de beta-carbolina en sus cutículas. [ 61 ]

Ornitorrinco

En 2020 se informó de fluorescencia en varios especímenes de ornitorrinco . [ 62 ]

Ardillas voladoras

En 2019 se observó, por casualidad, que las ardillas voladoras emiten fluorescencia rosa bajo luz ultravioleta. Investigaciones posteriores realizadas por biólogos del Northland College en el norte de Wisconsin descubrieron que esto se cumple en las tres especies de ardillas voladoras norteamericanas. Las ardillas que no vuelan no emiten fluorescencia bajo luz ultravioleta. [ 63 ] Esta fluorescencia podría ser un accidente evolutivo y no tener ninguna función biológica. [ 64 ]

Plantas

Muchas plantas son fluorescentes debido a la presencia de clorofila , que probablemente sea la molécula fluorescente más ampliamente distribuida, produciendo emisión roja bajo un rango de longitudes de onda de excitación. [ 65 ] Este atributo de la clorofila es comúnmente utilizado por los ecólogos para medir la eficiencia fotosintética. [ 66 ]

La flor de Mirabilis jalapa contiene betacianinas fluorescentes violetas y betaxantinas fluorescentes amarillas. Bajo luz blanca, las partes de la flor que contienen solo betaxantinas se ven amarillas, pero en las áreas donde están presentes tanto betaxantinas como betacianinas, la fluorescencia visible de la flor se atenúa debido a mecanismos internos de filtrado de luz. Anteriormente se sugirió que la fluorescencia desempeñaba un papel en la atracción de polinizadores ; sin embargo, posteriormente se descubrió que la señal visual de la fluorescencia es insignificante en comparación con la señal visual de la luz reflejada por la flor. [ 67 ]

Se informó que un híbrido raro dentro de Nepenthes ( N. benstonei x N. rafflesiana ), descubierto en 2025, exhibía una fluorescencia verde intensa en los peristomas de las trampas maduras, mientras que las trampas más jóvenes exhibían fluorescencia azul. [ 68 ] Antes de este informe, solo se había reportado fluorescencia azul en el género. [ 69 ]

Abiótico

Gemología, mineralogía y geología

Fluorescencia de la aragonita
Collar de diamantes en bruto bajo luz ultravioleta (arriba) y luz normal (abajo).

Además de la fluorita epónima , [ 70 ] muchas piedras preciosas y minerales pueden tener una fluorescencia distintiva o pueden fluorescer de manera diferente bajo luz ultravioleta de onda corta, luz ultravioleta de onda larga, luz visible o rayos X.

Muchos tipos de calcita y ámbar presentan fluorescencia bajo luz ultravioleta de onda corta, luz ultravioleta de onda larga y luz visible. Los rubíes , las esmeraldas y los diamantes exhiben 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 limitarse a 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 una posible fluorescencia. El manganeso divalente , en concentraciones de hasta varios por ciento, 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⁺ ), ​​fluoresce en todas las concentraciones en un color amarillo verdoso y es la causa de la fluorescencia de minerales como la autunita o la andersonita , y, a baja concentración, es la causa de la fluorescencia de materiales como algunas muestras de ópalo hialino . 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 observa en el mineral fluorita . Los lantánidos trivalentes como el terbio y el disprosio son los principales activadores de la fluorescencia amarillo cremosa que exhibe 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 están presentes juntos en 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 causar una emisión amarilla en la scheelita , en lugar de azul. La esfalerita de bajo contenido en hierro (sulfuro de zinc) fluoresce y fosforesce en una gama de colores, influenciada por la presencia de varias impurezas traza.

El petróleo crudo presenta fluorescencia en una gama de colores, desde marrón opaco para los petróleos pesados ​​y alquitranes hasta amarillo brillante y blanco azulado para los petróleos muy ligeros y condensados. Este fenómeno se utiliza en la perforación exploratoria de petróleo para identificar cantidades muy pequeñas de petróleo en los recortes de perforación y las muestras de núcleos.

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 . [ 71 ] Las sustancias húmicas disueltas en el agua subterránea pueden detectarse y caracterizarse mediante espectrofluorimetría . [ 72 ] [ 73 ] [ 74 ]

líquidos orgánicos

Las moléculas orgánicas presentes de forma natural en la cerveza, como el triptófano , la tirosina y la fenilalanina , emiten fluorescencia verde, con longitudes de onda que van desde los 500 nm (azul claro) hasta los 600 nm (amarillo ámbar), cuando se iluminan con luz láser de 450 nm (azul oscuro). [ 75 ]

Las soluciones orgánicas (a base de carbono), como el antraceno o el estilbeno , disueltas en benceno o tolueno , presentan fluorescencia al ser irradiadas con luz ultravioleta o rayos gamma . Los tiempos de decaimiento de esta fluorescencia son del orden de nanosegundos, ya que la duración de la luz depende de la vida media de los estados excitados del material fluorescente, en este caso antraceno o estilbeno. [ 76 ]

La centelleación 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 contadores de centelleo para detectar dichas partículas. El estilbeno también es uno de los medios de ganancia utilizados en láseres de colorante .

Atmósfera

Se observa fluorescencia en la atmósfera cuando el aire es bombardeado con electrones de alta energía. En casos como la aurora boreal , las explosiones nucleares a gran altitud y los experimentos con cañones de electrones lanzados desde cohetes, las moléculas e iones formados presentan una respuesta fluorescente a la luz. [ 77 ]

Materiales comunes que fluorescen

En tecnología novedosa

En agosto de 2020, investigadores informaron sobre la creación de los materiales ópticos sólidos fluorescentes más brillantes hasta la fecha, al permitir la transferencia de propiedades de colorantes altamente fluorescentes mediante el aislamiento espacial y electrónico de los colorantes, mezclando colorantes catiónicos con macrociclos de cianoestrellas que se unen a aniones . Según un coautor, estos materiales podrían tener aplicaciones en áreas como la captación de energía solar, la bioimagen y los láseres. [ 78 ] [ 79 ] [ 80 ] [ 81 ]

Aplicaciones

Iluminación

Pintura fluorescente y plástico iluminados con lámparas UV-A ( luz negra ). Cuadros 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 recubierto 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 la iluminación incandescente . Sin embargo, el espectro irregular de las lámparas fluorescentes tradicionales puede hacer que ciertos colores se vean diferentes a cuando se iluminan con luz incandescente o luz natural . El espectro de emisión del 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 al continuo blanco utilizando un espectroscopio de mano, para la luz emitida por los tubos fluorescentes blancos comunes. Estas mismas líneas visibles, acompañadas por las líneas de emisión del europio trivalente y el terbio trivalente, y además por el continuo de emisión del europio divalente en la región azul, comprenden la emisión de luz más discontinua de los modernos sistemas de fósforo tricromático utilizados en muchas lámparas fluorescentes compactas y lámparas tradicionales donde se busca una mejor reproducción del color. [ 82 ]

Las luces fluorescentes estuvieron disponibles para el público por primera vez en la Feria Mundial de Nueva York de 1939. Las mejoras desde entonces se han centrado principalmente en mejores fósforos, mayor vida útil, descarga interna más consistente y formas más fáciles de usar (como las lámparas fluorescentes compactas). Algunas lámparas de descarga de alta intensidad (HID) combinan su mayor eficiencia eléctrica con la mejora del fósforo para una mejor reproducción del color. [ 83 ]

Los diodos emisores de luz blanca (LED) se comercializaron a mediados de la década de 1990 como lámparas LED , en las que la luz azul emitida por el semiconductor incide sobre fósforos depositados en el pequeño chip. La combinación de la luz azul que atraviesa el fósforo y la fluorescencia verde a roja de los fósforos produce una emisión neta de luz blanca. [ 84 ]

Las barras luminosas a veces utilizan materiales fluorescentes para absorber la luz de la reacción quimioluminiscente y emitir luz de un color diferente. [ 82 ]

Química analítica

Muchos procedimientos analíticos implican el uso de un fluorímetro , 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. [ 85 ]

La fluorescencia en varias longitudes de onda puede detectarse mediante un detector de matriz para identificar compuestos en el flujo de HPLC . Asimismo, las placas de TLC pueden visualizarse si los compuestos o un reactivo colorante son fluorescentes. La fluorescencia es más eficaz cuando existe una mayor proporción de átomos con niveles de energía más bajos en una distribución de Boltzmann . En consecuencia, existe una mayor probabilidad de excitación y emisión de fotones por parte de los átomos de menor energía, lo que optimiza el análisis.

Espectroscopia

Generalmente, la configuración de un ensayo de fluorescencia implica una fuente de luz que puede emitir diferentes longitudes de onda. Por lo general, se requiere una sola longitud de onda para un análisis adecuado, por lo que, para filtrar selectivamente la luz, esta se hace pasar a través de un monocromador de excitación y, posteriormente, la longitud de onda elegida se hace pasar a través de la celda de muestra. Tras la absorción y reemisión de la energía, pueden surgir múltiples longitudes de onda debido al desplazamiento de Stokes y a diversas transiciones electrónicas . Para separarlas y analizarlas, la radiación fluorescente se hace pasar a través de un monocromador de emisión y se observa selectivamente mediante un detector. [ 86 ]

Láseres

La cavidad interna de un láser de colorante sintonizado a 589 nm. El haz verde de un láser Nd:YAG  de frecuencia duplicada provoca que la solución de colorante fluoresca en amarillo, creando un haz entre la matriz de espejos.

Los láseres suelen utilizar la fluorescencia de ciertos materiales como medio activo, como el brillo rojo producido por un rubí (zafiro de cromo), el infrarrojo del zafiro de titanio o la gama ilimitada de colores producida por colorantes orgánicos . Estos materiales normalmente fluorescen mediante un proceso llamado emisión espontánea , en el que la luz se emite en todas direcciones y, a menudo, en muchas líneas espectrales discretas a la vez. En muchos láseres, el medio fluorescente se "bombea" exponiéndolo a una fuente de luz intensa, lo que crea una inversión de población , es decir, que más átomos se encuentran en un estado excitado (alta energía) en lugar de en el 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 a la misma longitud de onda, creando una emisión estimulada . Cuando una porción de la fluorescencia espontánea queda atrapada entre dos espejos, casi toda la fluorescencia del medio puede ser estimulada para emitir a lo largo de la misma línea, produciendo un haz láser. [ 87 ]

Bioquímica y medicina

Células endoteliales vistas al microscopio con tres canales separados que marcan componentes celulares específicos.

La fluorescencia en las ciencias biológicas se utiliza generalmente como un método no destructivo para el seguimiento o análisis de moléculas biológicas mediante la emisión fluorescente a una frecuencia específica, donde no hay ruido de fondo de la luz de excitación, ya que relativamente pocos componentes celulares son fluorescentes de forma natural (denominada fluorescencia intrínseca o autofluorescencia ). De hecho, una proteína u otro componente puede ser "marcado" con un fluoróforo extrínseco, un colorante fluorescente que puede ser una molécula pequeña, una proteína o un punto cuántico, y que encuentra un amplio uso en numerosas aplicaciones biológicas. [ 15 ] (p xxvi )

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

Microscopía

  • Al analizar la intensidad de la fluorescencia en un plano, se obtiene la microscopía de fluorescencia de tejidos, células o estructuras subcelulares. Esto se logra marcando un anticuerpo con un fluoróforo y permitiendo que el anticuerpo encuentre su antígeno diana dentro de la muestra. El marcaje de múltiples anticuerpos con diferentes fluoróforos permite visualizar múltiples dianas en una sola imagen (múltiples canales). Los microarrays de ADN son una variante de esta técnica.
  • Inmunología: Un anticuerpo se prepara primero uniéndolo a un grupo químico fluorescente, y los sitios (por ejemplo, en una muestra microscópica) donde el anticuerpo se ha unido pueden verse, e incluso cuantificarse, mediante la fluorescencia.
  • La microscopía de imagen de tiempo de vida de fluorescencia (FLIM, por sus siglas en inglés ) se puede utilizar para detectar ciertas interacciones biomoleculares que se manifiestan influyendo en los tiempos de vida 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

  • La transferencia de energía por resonancia de Förster (FRET , por sus siglas en inglés, también conocida como transferencia de energía por resonancia de fluorescencia ) se utiliza para estudiar las interacciones de las proteínas, detectar secuencias específicas de ácidos nucleicos y como biosensores, mientras que la medición del tiempo de vida de la fluorescencia (FLIM) puede proporcionar una capa adicional de información.
  • Biotecnología: se están estudiando biosensores que utilizan fluorescencia como posibles biosensores fluorescentes de glucosa .
  • Secuenciación automatizada de ADN mediante el método de terminación de cadena ; cada una de las cuatro bases de terminación de cadena tiene su propia etiqueta fluorescente específica. A medida que se separan las moléculas de ADN marcadas, la etiqueta fluorescente se excita con una fuente de luz ultravioleta, y la identidad de la base que termina la molécula se identifica por la longitud de onda de la luz emitida.
  • FACS ( clasificación celular activada por fluorescencia ). Una de las varias técnicas importantes de clasificación celular utilizadas para la separación de diferentes líneas celulares (especialmente las aisladas de tejidos animales).
  • Detección de ADN: el compuesto bromuro de etidio , en solución acuosa, presenta muy poca fluorescencia, ya que el agua la atenúa. La fluorescencia del bromuro de etidio aumenta considerablemente tras unirse al ADN, por lo que este compuesto resulta muy útil para visualizar la ubicación de los fragmentos de ADN en la electroforesis en gel de agarosa . El bromuro de etidio intercalado se encuentra en un entorno hidrofóbico entre los pares de bases del ADN, protegido de la atenuación por el agua, que se excluye de su entorno local. El bromuro de etidio puede ser carcinogénico; una alternativa posiblemente más segura es el colorante SYBR Green .
  • FIGS ( cirugía guiada por imágenes de fluorescencia ) es una técnica de diagnóstico por imagen médica que utiliza la fluorescencia para detectar estructuras debidamente marcadas durante la cirugía.
  • La fluorescencia intravascular es una técnica de imagen médica basada en catéter que utiliza la fluorescencia para detectar características de alto riesgo de aterosclerosis y dispositivos de stent vascular no cicatrizados. [ 88 ] La autofluorescencia de la placa se ha utilizado en un estudio en humanos por primera vez en arterias coronarias en combinación con tomografía de coherencia óptica . [ 89 ] 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 arterial. [ 90 ]
  • SAFI (imágenes de fluorescencia alterada por especies) es una técnica de imagen en electrocinética y microfluídica . [ 91 ] Utiliza colorantes no electromigratorios cuya fluorescencia se extingue fácilmente por especies químicas de interés en migración. Los colorantes se distribuyen generalmente por todo el flujo y se observa directamente la extinción diferencial de su fluorescencia por los analitos.
  • Ensayos basados ​​en fluorescencia para la detección de sustancias químicas tóxicas . Los ensayos ópticos consisten en una mezcla de colorantes fluorescentes sensibles al entorno y células de piel humana que generan patrones de espectros de fluorescencia. [ 92 ] 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 observar estructuras anatómicas, incluidos los márgenes óseos. [ 93 ]

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 están relacionados con diversos objetos de colección , a veces son fluorescentes.

Ensayos no destructivos

La inspección por 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 líquidos y gases.

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 , especialmente en las señales de tráfico. Por lo general, los colores fluorescentes son reconocibles a mayor distancia que sus contrapartes no fluorescentes, siendo el naranja fluorescente particularmente llamativo. [ 94 ] Esta propiedad ha propiciado su uso frecuente en señales y etiquetas de seguridad.

Blanqueadores ópticos

Los compuestos fluorescentes se utilizan a menudo para realzar el aspecto de telas y papel, produciendo un efecto blanqueador. Una superficie blanca tratada con un abrillantador óptico puede emitir más luz visible que la que incide sobre ella, lo que la hace parecer más brillante. La luz azul emitida por el abrillantador compensa la disminución del azul del material tratado y cambia el tono, alejándolo del amarillo o el marrón y acercándolo al blanco. Los abrillantadores ópticos se utilizan en detergentes para ropa, papel de alta luminosidad, cosméticos, prendas de alta visibilidad y otros productos.

Véase también

Referencias

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Lecturas adicionales

  • La historia de la fluorescencia . Raytech Industries. 1965.
  • Fluorophores.org , la base de datos de colorantes fluorescentes
  • FSU.edu , Conceptos básicos en fluorescencia
  • Conferencia "Una nanohistoria de la fluorescencia" a cargo de David Jameson.
  • Espectros de excitación y emisión de diversos colorantes fluorescentes
  • Base de datos de minerales fluorescentes con imágenes, activadores y espectros (fluomin.org)
  • "Buceo nocturno biofluorescente – Dahab/Mar Rojo (Egipto), Bahía de Masbat/Mashraba, "Roca Romana"" . YouTube. 9 de octubre de 2012.
  • Steffen O. Beyer. "FluoPedia.org: Publicaciones" . fluopedia.org.
  • Steffen O. Beyer. "FluoMedia.org: Ciencia" . fluomedia.org.
  • Courtney Whitcher. En busca de la fluorescencia : proyecto participativo en el patio trasero para identificar nuevos ejemplos de fluorescencia.