LA FLUORESCENZA DELLA CLOROFILLA

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1 SPERIMENTA ANCHE TU ed LICEO SCIENTIFICO L. DA VINCI TREVISO LA FLUORESCENZA DELLA CLOROFILLA Docente coordinatore: Sonia Mazzaro Assistente tecnico: Ornella Lorenzon Alunni classe 4C: Alessandro Furlanetto Eleonora Porcellato Francesco La Torre Isabella Rosato Lisa Pivato Federica Gerini PREMESSA TEORICA L esperimento sulla fluorescenza della clorofilla è stato per noi un applicazione e un approfondimento di quanto studiato in biologia sui pigmenti fotosintetici ed in chimica sulla struttura atomica e gli spettri di emissione. La fluorescenza infatti consiste nell emissione di radiazioni da parte di una molecola che torna, da uno stato elettronico eccitato, grazie all assorbimento di luce, a quello fondamentale. L emissione avviene a lunghezza d onda maggiore e quindi energia minore, rispetto alla radiazione assorbita; in particolare se l assorbimento avviene nell ultravioletto, l emissione avviene nella banda del visibile. Il nome fluorescenza deriva dalla fluorite, minerale di calcio e fluoro, in cui tale fenomeno è stato scoperto. La fluorescenza si distingue tradizionalmente dalla fosforescenza, altro fenomeno che comporta l emissione di luce, in quanto i materiali fluorescenti cessano di essere luminosi interrompendo la radiazione eccitante, invece nei materiali fosforescenti la luce continua ad essere emessa per un certo periodo anche dopo aver eliminato la sorgente eccitante. Oggi è anche possibile distinguere i due processi sulla base della natura degli stati elettronici coinvolti, nelle transazioni responsabili dell emissione di radiazione. Se un elettrone, posto nello stato fondamentale S 0 viene colpito da fotoni di luce, ne assorbe l energia e viene spinto su un orbitale più esterno S 2., cioè viene eccitato, per poi decadere allo stato fondamentale. Tale decadimento può avvenire in due modi: Diagramma di Jablonski

2 decadimento radiativo: consiste nell emissione di un fotone e ritorno della molecola eccitata allo stato energetico fondamentale. decadimento non radiativo: l energia si trasferisce sulle vibrazioni rotazioni e traslazioni delle molecole circostanti, cioè sotto forma di calore. La molecola eccitata nello stato S 2 può ricadere tramite decadimento non radiativo ad un livello vibrazionale più basso S 1, senza emettere radiazioni mediante una serie di transizioni, chiamate conversioni interne, durante le quali l energia accumulata viene dissipata sotto forma di calore. Da questo livello può decadere radiativamente allo stato fondamentale emettendo un fotone ad energia hν, minore di quella hν assorbita inizialmente. Questo fenomeno di emissione di luce si chiama fluorescenza. La radiazione emessa potrà essere visibile come luce blu, se il salto energetico è elevato, o come luce verde o rossa, se il salto energetico è minore. Infatti la lunghezza d onda della radiazione emessa è tanto più corta quanto più il salto energetico è alto; ciò spiega anche perché per l eccitazione sono necessari gli ultravioletti, con lunghezza d onda più corta della luce visibile; infatti, il salto di assorbimento deve essere maggiore di quello di emissione. La situazione descritta finora era relativa a stati elettronici con spin appaiati, o antiparalleli detti stati di singoletto S. Ricordiamo infatti che, quando un elettrone viene promosso da uno stato fondamentale ad uno stato eccitato, esso può mantenere lo spin originario oppure invertirlo.

3 Se l eccitazione avviene con ritenzione dello spin, si parla di stato di singoletto e gli spin degli elettroni nello stato eccitato sono appaiati come nello stato fondamentale. Se invece il passaggio allo stato attivato avviene con inversione dello spin, si parla di stato di tripletto. Molte molecole hanno stati elettronici eccitati con due spin elettronici spaiati o paralleli, detti appunto, stati di tripletto T. L energia di questi stati è superiore a quella dello stato di singoletto fondamentale S 0 e inferiore a quella dello stato di singoletto eccitato La molecola può decadere non radiativamente con una lenta conversione tra sistemi S T e successivamente il tripletto si rilassa radiativamente allo stato fondamentale S 0, emettendo un fotone ad energia minore di quella assorbita inizialmente. Questo decadimento, che segue un meccanismo distinto dalla fluorescenza, si chiama fosforescenza. La fluorescenza avviene con un tempo dell ordine di nanosecondi, invece la fosforescenza, a causa della lentezza delle transizioni S T e T S, ha tempi che vanno dall ordine dei millisecondi fino ai minuti. Nel caso della clorofilla si osservano le seguenti transazioni possibili:

4 Chl + hν Chl * (clorofilla nello stato eccitato di singoletto situazione normale) Chl * 3Chl (clorofilla nello stato di tripletto prodotta quando non ci sono molecole accettrici per l energia derivante dalle molecole di clorofilla energizzate) 3Chl + O2 1O2 + Chl (Il radicale idrossile 1O2 è estremamente reattivo e danneggia la clorofilla ( chlorophyll bleaching ), le membrane lipidiche e le proteine dei fotosistemi). Poiché la fluorescenza trae origine dalla caduta di un elettrone, dal più basso livello vibrazionale del primo stato elettronico eccitato ad uno dei livelli vibrazionali dello stato fondamentale, lo spettro di fluorescenza, è in genere simile allo spettro di assorbimento ma spostato verso lunghezze d onda maggiori. (Legge di Stokes) ESPERIMENTO: LA FLUORESCENZA DELLA CLOROFILLA Obiettivo Osservare il fenomeno della fluorescenza in una soluzione di clorofilla. Materiali utilizzati I materiali utilizzati sono: Foglie Alcool puro Mortaio con pestello Becher da 100 ml Beuta da 100 ml Imbuto a gambo corto Forbicine Carta da filtro Lampada a raggi UV Clorofilla precedentemente estratta da foglie Lampada di Wood Procedimento

5 Per estrarre la clorofilla abbiamo utilizzato foglie fresche di spinacio. Le abbiamo sminuzzate e quindi pestate in mortaio insieme a 50 cc di alcool puro fino ad ottenere un composto liquido di colore verde brillante. Si lascia in infusione nell alcool per circa due ore. Si procede quindi alla filtrazione trasferendo la soluzione di clorofilla in una beuta attraverso un imbuto filtrante. Si osserva la colorazione della soluzione di clorofilla esposta a luce bianca policroma (luce solare o di lampada ad incandescenza).. Si procede quindi, in ambiente oscurato, ad illuminare la soluzione con una lampada di Wood a raggi ultravioletti, facendo attenzione a non orientare i raggi ultravioletti verso gli occhi delle persone presenti. Si osserva il cambiamento di colore subito dalla soluzione di clorofilla. Si spegne infine la lampada di Wood e si osserva nuovamente la colorazione assunta dalla soluzione. Osservazi oni: La soluzione di clorofilla, esposta a luce bianca policroma ( luce solare o di una lampada ad incandescenza), appare di colore verde brillante. Quando illuminiamo la soluzione con i raggi ultravioletti della lampada di Wood, essa diviene improvvisamente di colore rosso. Se però interrompiamo la stimolazione con i raggi ultravioletti, la soluzione torna subito alla colorazione verde precedente. S piegazione del fenomeno osservato La colorazione delle sostanze naturali è dovuta a transizioni elettroniche. Per esempio, nel caso della clorofilla, si ha assorbimento di radiazione visibile blu e rossa, come si può notare dallo spettro riportato qui di seguito. Quindi il colore verde che si osserva è dovuto alla radiazione non assorbita.

6 Per questo motivo la soluzione di clorofilla esposta a luce bianca policroma (solare o di lampada ad incandescenza) appare inizialmente di colore verde brillante. Se però noi sottoponiamo la soluzione di clorofilla ai raggi ultravioletti, che sono a bassa lunghezza d onda ed alta frequenza, un elettrone molecolare, situato nell orbitale stazionario di partenza, assorbe l energia della radiazione e viene spinto su un orbitale più esterno; ma l eccessiva energia vibrazionale improvvisamente acquisita dalla molecola viene dispersa in brevissimo tempo nell ambiente sotto forma di calore, portando l elettrone ad uno stato di vibrazione più bassa e comunque molto instabile, da cui l elettrone ricadrà nell orbitale iniziale, emettendo un fotone di luce visibile nella banda del rosso. La colorazione è direttamente correlata al salto energetico dell elettrone nella transizione di ritorno. Poiché la fluorescenza trae origine dalla caduta dell elettrone, dal più basso livello vibrazionale del primo stato elettronico eccitato allo stato fondamentale, lo spettro di fluorescenza è spostato verso lunghezze d onda maggiori e minori frequenze. La radiazione emessa ha quindi frequenza e energia minore della radiazione eccitante. RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI H. Curtis, N.S. Barnes Invito alla biologia Zanichelli Sofo Adriano Tesi di laurea: analisi degli indici di fluorescenza e della fotoinibizione in due varietà di olivo sottoposte a diversi livelli di deficit idrico e luminoso A.A. 2006/07