Fluorescence et phosphorescence

Définition de la fluorescence

Une molécule fluorescente possède la propriété d'absorber un rayonnement lumineux incident (excitation) et de restituer rapidement (quelques nanosecondes) l'énergie absorbée sous forme d'émission de lumière (fluorescence) dans le domaine du visible ou proche UV. Elle émet à une longueur d'onde supérieur à celle du faisceau incident.
La phosphorescence et la fluorescence ont de nombreuses applications dont la fluorimétrie qui est une méthode de dosage utilisant cette propriété.

Principe de la fluorescence et de la phosphorescence

Pour bien comprendre le phénomène, il est utile d'étudier le diagramme de Jablonski. C'est un diagramme énergétique comparant les phénomènes de retour à l'équilibre par fluorescence et phosphorescence.

Lorsque la molécule se trouve dans un état excité suite à l'absorption d'un photon, elle retourne au plus bas niveau d'énergie de l'état excité par relaxation (transfert d'énergie avec le solvant suite notamment à des collisions). La durée de vie de ces relaxations vibrationnelles non radiatives est de l'ordre de 10^-12 seconde.
La molécule revient ensuite dans l'état fondamental soit par conversion interne ou externe (choc avec d'autres molécules) soit par émission de lumière.
Cette émission lorsqu'elle a lieu s'appelle la fluorescence.
Dans le cas de la fluorescence, la multiplicité de spin est conservé.

Dans le cas de la phosphorescence, la passage à l'état excité s'effectue avec un retournement de spin avec passage à un état triplet.
Le retour à l'état fondamental s'effectue plus lentement avec émission de photons et un nouveau retournement de spin. L'emission lumineuse dure donc beaucoup plus longtemps même après arrêt de la lumière incidente.

Spectre de fluorescence

Lors de la mesure de fluorecence, plusieurs phénomènes parasites, principalement dus au solvant, se produisent. On observera plusieurs bandes d'émission en plus de celle liée à la fluorescence.

• La diffusion Rayleigh donne naissance à un pic de forte intensité à la longueur d'onde de l'excitation. Ce phénomène de diffusion élastique s'effectue sans perte d'énergie
• La diffusion Raman : On a affaire à une diffusion inélastique avec une perte d'énergie. Une partie de l'énergie du faisceau incident est absorbé par la molécule. Bien que le pic soit de faible intensité, le risque qu'il se superpose avec celui de la fluorescence n'est pas négligeable.
• un pic lié à la lumière diffractée.

Quelques valeurs de bande raman pour l'eau

• Excitation à 313 nm - Emission à 350 nm
• Excitation à 350 nm - Emission à 397 nm
• Excitation à 366 nm - Emission à 418 nm