Apparato per la Fluorescenza Risolta nel Tempo

Abstract : la fluorescenza è un fenomeno fisico tanto comune quanto affascinante. Tantissime sostanze mostrano questo fenomeno e, nel nostro blog, ce ne siamo occupati più volte, misurandone lo spettro e l’intensità della emissione. Ora vogliamo provare a misurare l’andamento temporale allo scopo di evidenziare il decadimento esponenziale e misurare il tempo di vita della emissione. Si tratta di una misura difficile perchè i tempi caratteristici della fluorescenza sono estremamente brevi, infatti cadono nel range dei nanosecondi.

Introduzione

In questo post approfondiamo l’argomento fluorescenza. Questo argomento è stato già oggetto del precedente post : Cos’è la Fluorescenza.  Come già spiegato la fluorescenza è la proprietà di alcune sostanze di riemettere (nella maggior parte dei casi a lunghezza d’onda maggiore e quindi a energia minore) le radiazioni elettromagnetiche ricevute, in particolare di assorbire radiazioni nell’ultravioletto e riemetterla nel visibile.
Il meccanismo della fluorescenza è il seguente : una radiazione incidente  eccita gli atomi della sostanza fluorescente, promuovendo un elettrone a un livello energetico (orbitale) meno legato, più energetico e quindi più “esterno”. Entro poche decine di nanosecondi, l’elettrone eccitato torna al livello precedente in due o più fasi, passando cioè per uno o più stati eccitati a energia intermedia, come viene mostrato nella figura sotto :

livelli Fluorescenza

Se anziché colpire il campione in esame con una radiazione prolungata nel tempo si usa una radiazione incidente a impulsi, cioè con durata molto breve (~ ns), è possibile studiare la fluorescenza emessa dal campione nel tempo. Si verifica che il fenomeno di decadimento dallo stato eccitato ha un andamento esponenziale caratterizzato da una costante di tempo che può variare dai picosecondi ai nanosecondi, questa costante τ è chiamata tempo di vita della fluorescenza :

fluoDecay

Per fare una misura sperimentale del decadimento esponenziale della fluorescenza è necessario eccitare la sostanza fluorescente con un impulso molto breve, preferibilmente di durata inferiore al nanosecondo, ed effettuare la misura della intensità della luce emessa negli istanti successivi all’impulso di eccitazione.

Apparato Sperimentale

Il nostra apparto sperimentale si basa sull’utilizzo di un fotomoltiplicatore per misurare l’intensità della fluorescenza e su di un LED per l’emissione dell’impulso rapido di eccitazione. Il tubo fotomoltiplicatore, il LED e la provetta contenente la sostanza fluorescente vengono posti all’interno di una “dark box” a tenuta di luce. Il LED viene pilotato da un Fast Pulser, a sua volta pilotato da un generatore di segnali che provvede a fornire gli impulsi di trigger. Il tubo fotomoltiplicatore è collegato ad un opportuno generatore di alta tensione mentre il segnale prodotto dal fotomoltiplicatore viene inviato ad un amplificatore a trans-impedenza. Il segnale amplificato viene visualizzato ed acquisito mediante oscilloscopio. L’immagine seguente mostra l’apparecchiatura nel suo insieme.

Fast Pulser

Il componente più importante dell’apparato è il “fast pulser” che è stato descritto nel post: Fast LED Light Pulser & SiPM (ITA). Il circuito pilota un LED UV (405 nm) tramite un transistor a valanga alimentato ad “alta tensione”. L’utilizzo del transistor a valanga unitamente alla cura nella scelta dei componenti ed alla cura nell’assemblaggio del circuito, volti, per quanto possibile, alla minimizzazione della induttanza, rendono possibile il raggiungimento di tempi di scarica estremamenti brevi, dell’ordine di nanosecondi. Il tutto viene alimentato a batteria e posto all’interno di una scatola in metallo, come mostrato nella immagine sotto. Per ottenere impulsi brevi è d’obbligo mantenere i collegamenti del LED più corti possibile.

Nel tracciato sotto viene mostrato, in giallo l’impulso di corrente che attraversa il circuito di scarica, ed in blu l’impulso di luce emesso dal LED così come viene ottenuto dal fotomoltiplicatore. Si nota come l’impulso di corrente è estremamente breve, pochi nanosecondi, mentre l’impulso di luce prodotto dal LED è più lungo ma comunque non supera i 20-30 nanosecondi. Probabilmente si possono ottenere anche impulsi più brevi selezionando opportunemente il LED utilizzato.

PMT Dark Box

Per la misura della intensità della emissione di fluorescenza abbiamo utilizzato un tubo fotomoltiplicatore posto all’interno di un contenitore a tenuta di luce che abbiamo denominato “dark box”. Questo setup sperimentale è stato descritto nel post Rilevazione Luce di Bassa Intensità con PMT. Nella dark box è posto anche il LED UV per l’emissione dell’impulso di eccitazione. Il LED è posto trasversalmente rispetto al fotomoltiplicatore, come mostrato nella immagine sotto.

Al fine di limitare la risposta del fotomoltiplicatore all’impulso di eccitazione, il fotocatodo del fotomoltiplicatore viene schermato da un filtro passa-alto che assorbe le lunghezza d’onda sotto i 500nm e lascia passare le lunghezze d’onda maggiori. In questo modo il fotomoltiplicatore viene raggiunto soltanto dalla emissione di fluorescenza che avviene, come sappiamo, a lunghezze d’onda maggiori rispetto alla eccitazione. Il fotocatodo è inoltre parzializzato da un pin-hole in modo da evitare che il fotomoltiplicatore raggiunga la saturazione in caso di forte emissione luminosa. L’immagine sotto mostra il filtro utilizzato.

Amplificatore Veloce a Trans-Impedenza

Per amplificare il segnale del fotomoltiplicatore abbiamo optato per un amplificatore in configurazione a trans-impedenza descritto nel post Amplificatore a Trans-Impedenza. Il circuito adottato utilizza l’op amp LTC6268 adatto per questo tipo di applicazione. Al fine di seguire fedelmente l’andamento dell’impulso luminoso è necessario che l’amplificatore sia molto veloce. L’immagine sotto mostra la scheda in formato “breakboard” già pronta per l’utilizzo.

Il segnale prodotto dall’amplificatore viene visualizzato ed acquisito dall’oscilloscopio. Il tracciato riportato sotto come esempio mostra, in blu, l’impulso luminoso di fluorescenza con il suo decadimento esponenziale ed in giallo l’impulso di corrente di pilotaggio del LED.

Conclusioni

L’analisi della fluorescenza risolta nel tempo è di grande importanza in numerosi ambiti scientifici però è piuttosto difficile da realizzare in un laboratorio amatoriale per via dei tempi estremamente brevi del processo fisico. In questo progetto abbiamo dimostrato che l’utilizzo di un LED pilotato con un circuito “fast pulser” e di un fotomoltiplicatore permette la misurazione del tempo di decadimento della fluorescenza nei casi in cui il tempo di decadimento sia maggiore di 10-20 nanosecondi.

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