Misure di Fluorescenza Risolta nel Tempo

Abstract : in questo post descriviamo le misure del tempo di decadimento della fluorescenza in alcuni composti che presentano tempi di decadimento particolarmente lunghi, adatti quindi ad essere misurati con il nostro apparato sperimentale.

Introduzione

Con il sistema descritto nel post Apparato per la Fluorescenza Risolta nel Tempo abbiamo effettuato una serie di misurazioni su alcuni composti fluorescenti allo scopo di determinare la costante di decadimento esponenziale della emissione luminosa. I dati sono stati ottenuti acquisendo il segnale con l’oscilloscopio. La misura può essere fatta direttamente con l’oscilloscopio attivando le funzionalità di misura oppure i dati numerici del segnale possono essere esportati su file in formato csv ed analizzati successivamente ad esempio con excel. Il vantaggio dell’utilizzo diretto dell’oscilloscopio è che il segnale può essere mediato su più campioni,anche 64 o 128, questo permette di ridurre notevolmente il contributo di interferenze o rumore casuale ed ottenere segnali con andamenti molto meno disturbati.

La prima misura, che mostriamo sotto, è quella relativa all’impulso di eccitazione. In giallo viene mostrato l’impulso di corrente, estremamente breve, mentre in blu l’impulso di luce misurato dal fotomoltiplicatore. La durate dell’impulso di luce è breve e può essere stimata, a metà altezza, in circa 20ns. La discesa dell’impulso di luce non è istantanea: il “fall time” (dal 90% al 10% del segnale) vale 27ns, di questo dobbiamo tenere conto quando valutiamo i tempi della fluorescenza.

Quantum Dots

I quantum dots (QD) sono composti estremamente interessanti: si tratta di nanostrutture composte da poche centinaia di atomi. Il diametro di un tipico QD è inferiore ai 10nm. A questa scala dimensionale diventano importanti fenomeni quantistici e proprietà fisiche legate al rapporto molto elevato tra superficie e volume. Nel caso dei QD possiamo pensare ad essi come “super-atomi” al cui interno gli elettroni rimangono intrappolati come in una buca di potenziale. Da considerazioni teoriche appare chiaro che i livelli energetici permessi sono discreti ed il livello energetico dipende dalle dimensioni spaziali del QD. La dimostrazione di questo effetto si ottiene facilmente studiando lo spettro della fluorescenza dei QD, come abbiamo fatto nel post Quantum Dots : una “Particella in Scatola”.

Una caratteristica della fluorescenza dei QD è la durata particolarmente lunga rispetto ad altri fluorofori: i tempi si collocano su valori di 10-100 ns. Questi tempi rendono il fenomeno facilmente misurabile anche con il nostro apparato.
Le immagini sotto mostrano i nostri QD di CdTe ed il relativo andamento temporale della fluorescenza. La misura del fall time corrisponde al tempo tra il 90% ed il 10% della intensità iniziale, la costante di tempo esponenziale si può ottenere con la formula: τ = Δt/2,195.

Per il primo QD, emissione sui 520nm, abbiamo τ = 82ns
Per il secondo QD, emissione sui 570nm, abbiamo τ = 51ns

Cristalli Scintillatori

Anche i cristalli scintillatori usati per la rilevazione di particelle e radiazione gamma presentano la proprietà della fluorescenza: infatti è proprio la luminescenza indotta dalla radiazioni ad essere utilizzata per la rilevazione e la misura delle radiazioni (post Cristalli Scintillatori). Per alcuni di questi cristalli  la misura del tempo di decadimento può essere fatta senza impulso di eccitazione luminosa: è sufficiente acquisire e misurare gli impulsi che vengono prodotti in seguito alla rilevazione della radiazione di background.
I tracciati che mostriamo sotto si riferiscono a due dei cristalli più utilizzati : NaI(Tl) e CsI(Tl). Entrambi mostrano un caratteristico decadimento esponenziale, con tempo di vita di 244 ns per il NaI(Tl) e ben 625 ns per il CsI(Tl). E’ noto che questi cristalli non sono particolarmente veloci, altri tipi di scintillatori, ad esempio quelli plastici, hanno tempi di decadimento molto più brevi.

Il terzo cristallo scintillatore che abbiamo esaminato è il BGO (germanato di bismuto). Questo lo abbiamo esaminato eccitandolo con un impulso luminoso e registrando il decadimento della intensità della fluorescenza indotta. I risultati sono mostrati nei diagrammi seguenti, dai quali si ottiene con buona approssimazione un tempo di decadimento pari a 333 ns.

Piranina

La piranina è un colorante fluorescente idrofilo sensibile al pH appartenente al gruppo degli arilsolfonati. La piranina è solubile in acqua e viene adoperata sia come colorante biologico, sia come indicatore di pH. La piranina si trova anche negli evidenziatori gialli, dando loro la loro caratteristica fluorescenza e il colore giallo-verde brillante. Nella immagine a lato si vede la formula di struttura della piranina. La piranina è derivata dal pirene. Il pirene è un idrocarburico policiclico aromatico (IPA) costituito da 4 anelli benzenici condensati. Spesso i composti aromatici come il benzene ed i suoi derivati, con gli elettroni dei legami π delocalizzati su tutta la molecola presentano caratteristici fenomeni di fluorescenza. Il pirene e la piranina nn fanno eccezione e presentano, inoltre, un tempo di decadimento particolarmente lungo.

La nostra misura, presentata sotto, fornisce un tempo di decadimento dell’ordine dei 50ns.

Ossido di Uranio

Gli ossidi di uranio, in particolare il diossido di uranio, sono composti il cui utilizzo è principalmente riservato alla industria nucleare. Sono però anche utilizzati, o per meglio dire erano utilizzati, come coloranti in alcuni smalti per ceramiche e come additivi al vetro per produrre vetro di colore verde con proprietà fluorescenti.
Abbiamo sottoposto un campione di questo vetro alla misura del decadimento della fluorescenza, ottenendo un valore dell’ordine delle centinaia di nanosecondi, come mostrato nel diagramma seguente.

Conclusioni

Con questo lavoro abbiamo dimostrato che lo studio della fluorescenza risolta nel tempo è accessibile anche a laboratori dotati di strumentazione amatoriale autocostruita. La risoluzione temporale che si riesce ad ottenere è dell’ordine della decina di nanosecondi, non elevatissima ma comunque sufficiente per studiare molti composti fluorescenti.

Se ti è piaciuto questo articolo puoi condividerlo sui “social” Facebook, Twitter o LinkedIn con i pulsanti presenti sotto. In questo modo ci puoi aiutare ! Grazie !

Donazioni

Se vuoi contribuire allo sviluppo di questo sito ed allo sviluppo di nuove attività sperimentali puoi fare una donazione, Grazie !