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BENITO DEL CASTILLO GARCA

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Histria da luminescncia

Benito del Castillo Garca

Resumo O presente artigo discorre sobre os processos de fotoluminescncia molecular

(fluorescncia e fosforescncia) na anlise farmacutica, no contexto da evoluo da qumica e da anlise instrumental, de forma que possamos ver a trajetria seguida por esse conjunto de tcnicas espectroscpicas.

Palavras-chave Fotoluminescncia molecular; Fluorescncia; Fosforescncia; Espectroscopia

History of luminescence

The present article discusses the processes of molecular photoluminescence (fluorescence and phosphorescence) in pharmaceutical analysis within the context of the advancement of chemistry and instrumental analysis to illustrate the trajectory of that set of spectroscopic techniques.

Keywords Molecular photoluminescence; Fluorescence; Phosphorescence; Spectroscopy

Decano e catedrtico de Tcnicas Instrumentais, Faculdade de Farmcia, Universidad Complutense de Madrid, E-28040, Madri (Espanha), [email protected]

DOSSI FONTES CIRCUMSCRIBERE 12 (2012): 76-83

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Os processos de fotoluminescncia molecular consistem, fundamentalmente, da emisso de radiaes eletromagnticas por molculas eletronicamente excitadas. A existncia de molculas em estado excitado implica na absoro prvia de energia ou na gerao dessas molculas durante uma reao qumica; nesse caso, o processo denominado quimioluminescncia. Quando as reaes quimioluminescentes acontecem nos seres vivos, adota-se o termo bioluminescncia. No restante dos processos luminescentes, bvio que tambm requerida uma absoro de energia antes da emisso. Sua classificao e denominao dependem da natureza da fonte de energia excitadora: fotoluminescncia refere-se s radiaes eletromagnticas, geralmente ultravioletas ou visveis; radioluminescncia, s radiaes mais energticas e, portanto, de longitude de onda muito curta, por exemplo, os raios X; triboluminescncia, s radiaes que acontecem depois da aplicao de energia mecnica, frico ou pulverizao; eletroluminescncia, no caso de energia associada a campos eltricos ou magnticos; sonoluminescncia, quando a excitao deve-se a ondas sonoras; catodoluminescncia, emisso depois do bombardeio com eltrons acelerados; termoluminescncia, por ao da energia calorfica, etc.

Tentarei concentrar a ateno sobre os processos de fotoluminescncia molecular (fluorescncia e fosforescncia) na anlise farmacutica, no contexto da evoluo da Qumica e da Anlise Instrumental, de forma que possamos ver a trajetria seguida por esse conjunto de tcnicas espectroscpicas.

No posso imaginar qual o tipo de energia excitadora utilizado para explicar as poticas palavras iniciais do Gnesis: Ento, disse Deus, Haja luz, e houve luz.

Gostaria de comear por algumas reflexes, de uma perspectiva histrica, acerca dos fenmenos luminescentes que deram origem a um conjunto poderoso e elegante de tcnicas instrumentais, como as espectrofotometrias de fluorescncia molecular e de fosforescncia.

Sem dvida, na mais remota antiguidade, devem ter chamado a ateno do homem a luz dos relmpagos, as auroras boreais e a existncia de seres vivos que, sob determinadas circunstncias, emitiam luz, como os vaga-lumes ou os infusrios de algumas regies marinhas, sem esquecer certas algas e fungos que hoje sabemos que produzem luminescncia. Certamente, foram observados alguns fenmenos atualmente interpretados como bioluminescentes.

Quando Aristteles, em sua Histria dos Animais, fala de lampiridas, provavelmente referia-se aos colepteros cantaroideos. Seu discpulo Teofrasto, no Tratado das Pedras, menciona um carbnculo luminoso que, exposto luz solar, brilha profusamente.

Aps alguns sculos, Plnio, o Velho, escrevia mais potica do que cientificamente que as pedras preciosas tinham roubado aos astros sua luz e que certos minerais tinham em seu interior uma chama visvel na escurido da noite. Esse autor tambm descreve insetos capazes de emitirem luz e que possuem um lquido que conserva essa caracterstica mesmo depois de extrado do animal. O poeta


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Aeliano, ao descrever as joias das mulheres de Tarento, tambm oferece sua brilhante opinio acerca desse tipo de fenmenos.

Houve muitas lendas e fbulas acerca de joias maravilhosas no Oriente Mdio e Extremo, que chegaram at a Europa medieval. Os fenmenos fosforescentes nas pedras preciosas foram, nesse momento, talvez melhor interpretados, porm sempre com uma viso muito literria. Provavelmente, foi Cellini o observador mais agudo e surpreso da fosforescncia de certas gemas de uma joalheria de Ragusa. Certamente, deve sempre ser colocada a questo de se esses observadores pr-cientficos interpretavam de alguma maneira os fenmenos luminescentes ou se s deixavam-se levar por sua imaginao. O que est claro que, mesmo antes da Idade Mdia, tinham sido descritas algumas propriedades fotoluminescentes de diversos minerais. Contudo, a observao desses fenmenos exigia certos artefatos: a fluorescncia, no sentido cientfico atual, no pode ser conhecida enquanto tal.

Atualmente, fcil afirmar que alguns tipos de diamantes e a fluorita so luminescentes, especialmente a variedade denominada clorofana, que mostra uma emisso verde depois de ser exposta luz ultravioleta. Deve-se lembrar de que, at relativamente poucos anos atrs, no se dispunha de fontes artificiais adequadas de luz capazes de excitarem as amostras que, aps, emitiro fosforescncia. Na antiguidade, para se observar esses fenmenos, os cristais deviam ser imediatamente introduzidos na escurido depois de terem sido expostos luz solar.

Provavelmente, os fenmenos luminescentes mais fceis de observar nos minerais, antigamente, foram os de triboluminescncia de alguns tipos de diamante, calcita e fluorita. Para isso, tinham de ser esmagados ou comprimidos ou, no mnimo, sua superfcie devia ser drasticamente friccionada. A observao da termoluminescncia do diamante e da fluorita era mais difcil sculos atrs.

Na atualidade, est perfeitamente estudada a emisso luminescente de mais de 500 minerais. No s devemos prestar ateno s pedras preciosas, como diamantes, rubis, safiras ou granates (to imersos na matria farmacutica mineral de poucos sculos atrs), mas tambm aos minerais mais vulgares, como a pesada baritina ou nossa mpar aragonita.

A histria da descoberta da fosforescncia deve ser procurada em 1603, com Vicenzo Casciarola, sapateiro de Bolonha e alquimista aficionado. Em seu tempo livre, coletava algumas pedras pesadas baratina, sem dvida nos arredores de sua cidade. Em casa, esquentava-as no fogo, procurando obter ouro ou prata, no mnimo. Grande foi sua desiluso, mas pde perceber a capacidade da petra luminfera ou petra de Bolonha (provavelmente, sulfato brico, com traos de bismuto ou mangans, o qual, calcinado na presena de carvo como redutor, produz monossulfeto de brio) para emitir uma luz avermelhada durante um tempo considervel. Foi tambm chamada de lcifer, esponja luminosa, etc. Todos esses nomes so muito pitorescos e prprios da alquimia.


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Essa emisso de luz chamou a ateno dos cientistas. Galileu ficou to fascinado por esses fatos, que fez uma demonstrao na Academia dei Lincei e enviou amostras desses minerais para vrios centros europeus prestigiosos. Lagalla, em 1612, descreve em seu livro de filosofia, De phenomenis in orbe lunae, as emisses luminosas do lapis solares. Anos mais tarde, em 1640, Liceti publica uma monografia completa acerca dos fenmenos observados em minerais lithephosphorus capazes de emitirem luz. O duque Leopoldo de Toscana tambm fornece uma bela descrio do fenmeno, indicando que a luz concebida no mineral e devolve-a, depois de certo tempo, como se fosse um parto.

Na metade do sculo XVII, foi chamado de phosphor (no grego, portador de luz). Peter Poterius, em 1625, construiu figuras de animais com materiais fosforescentes s porque era agradvel olhar para eles noite. No devemos rir dessas pessoas, pois estavam observando pela primeira vez um fenmeno to curioso quanto esse ou, com mentalidade romntica, supunham que a lua devolvia noite, a luz emprestada a ela pelo sol durante o dia. Tiveram que passar dois sculos e meio para que se explicasse cientificamente o fenmeno da fosforescncia.

Um fenmeno to belo quanto inusual no podia deixar de despertar a ateno tanto dos leigos quanto dos cientistas da poca, muitos deles de grande prestgio. Por isso, no estranho que alguns fsicos, como Grimaldi, Boyle e Newton, dedicassem algum tempo ao estudo da luminescncia de solues e meios fludos em geral, no intuito de compreenderem esses fenmenos, embora nem sempre interpretassem o processo como reflexo ou transmisso da luz. Ainda no estavam cientes da absoro e posterior emisso.

Em 1663, Robert Boyle descreveu de adamantis tenebris lucente, o diamante, que depois de ser friccionado e esquentado, emite luz na escurido. A descoberta do elemento fsforo (P) parece tambm ter certo ar alqumico. Brandt, procurando pela pedra filosofal, obteve-o a partir da urina. Em 1769, Scheele e Gahn puderam obt-lo em maiores quantidades. Contudo, esse fsforo bioluminescente porque emite luz ao ser oxidado ao ar (lembremos os fogos ftuos). Uns anos depois, em 1793, Homberg descreve pela primeira vez como o cloreto clcico capaz de emitir luz ao receber energia mecnica (triboluminescncia).

Os estudos luminescentes de Biot e Becquerel, em 1839, permitiram completar os de Canton no sculo anterior. Edward Becquerel foi, sem dvida, quem realmente fez o primeiro estudo cientfico da fosforescncia, determinando a longitude de onda das radiaes excitadora e emitida, o tempo de durao da emisso e a influncia da temperatura. Estudou a luminescncia de sais de urnio, fluorita, calcita, rubi, diamante, etc. O primeiro equipamento instrumental para determinar a durao da emisso fosforescente, depois de se suprimir a excitao, foi o fosforoscpio, desenhado em 1859 por Becquerel, ao estudar a fosforescncia de compostos de urnio. Em 1861, estabeleceu a lei exponencial, que rege a queda da intensidade da emisso fosforescente. Esses estudos permitiram a Verneuil e Lenard, no final do sculo XIX, estabelecer os minerais


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fsforo, entre eles, certos xidos, carbonatos, sulfetos e selenietos, que devem sua luminescncia presena de traos de mangans, cobre ou prata. Seus contemporneos, Crooks e Goldstein, foram os pioneiros nos estudos acerca da luminescncia produzida pelos raios catdicos.

A interpretao, mais ou menos cientfica, dos fenmenos luminescentes mencionados foi relativamente fcil, quando comparada com a da fluorescncia, pois essa emisso quase instantnea (10-7-10-9 s), praticamente cessando ao se suprimir a radiao excitadora. fcil compreender as dificuldades instrumentais para se dispor de meios capazes de distinguir, independentemente, a longitude de onda da radiao excitadora da emitida pela fluorescncia e, tambm, o tempo de vida da fluorescncia.

Segundo nosso contemporneo, o professor George G. Guibault, da Universidade de Louisiana, um dos grandes peritos nas tcnicas de luminescncia, pode-se afirmar que isso no foi um obstculo para que a fluorescncia fosse observada antes que a fosforescncia, pelo botnico sevilhano Nicols Monardes em 1574, ao descrever o lignum nephriticum em sua Primera y Segunda y Tercera partes de la historia medicinal de las cosas que se traen de nuestras Indias Occidentales que sirven en Medicina. Tinha percebido a luz que era emitida quando era interposto em gua.

O lenho nefrtico procede da leguminosa Pithecolobium ungis-cati, ou Guindalina moringa. O qualificativo nefrtico refere-se a seu uso, no Mxico, para dissolver clculos renais. A nobreza europeia mandou fabricar clices de madeira de lenho nefrtico, nos quais bebiam uma gua azulada, supostamente para evitar a litase. Muitas clebres pinacotecas da Europa Central mostram aristocratas belamente representados, com essa taa de madeira plebeia na mo. Hoje, essa atividade teraputica foi descartada, mas parece possuir ao diurtica e sudorfica. Nas mais distintas boticas do Velho Mundo, esse lenho era apresentado em pedaos sem o crtex, de cor avermelhada, com pacotes de fibras intercalados com outros de cor mais clara, odor ligeiro, mas aromtico pelo aquecimento e sabor muito levemente acre. Sua infuso, de cor amarela dourada, com o tempo torna-se escura, enquanto que azul- esverdeada quando olhada lateralmente. O acrscimo de cidos faz desaparecer esse fenmeno, mas os lcalis parecem reforar esse efeito.

Outros cientistas tambm perceberam a emisso fluorescente. No s Boyle e Newton, mas tambm Hook, Herschel e, inclusive, Brewster, j no sculo XIX, opinavam que o fenmeno que tinham observado consistia numa disperso da radiao inicial, dando-lhe nomes to curiosos quanto disperso interna ou disperso epiplica. A principal dificuldade para analisar e compreender o processo fluorescente assentava-se na observao da radiao secundria emitida e diferenci-la da excitadora primria, enquanto era atravessada a amostra problema.

Brewster comunicou Royal Society de Edimburgo em 1833, o novo fenmeno que tinha descoberto e denominado disperso interna, que se produzia numa soluo verde de clorofila, obtida a partir de folhas frescas, depois da irradiao e focalizao da luz solar atravs de um sistema de lentes. Aparecia um cone vermelho de luz, emitida


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dentro da soluo esverdeada, como consequncia da passagem da luz incidente. Pensou que a cor vermelha observada devia-se s partculas em suspenso.

Na Inglaterra, o fsico e matemtico George G. Stokes (1819-1903), destacado professor de Cambridge, no Pembroke College durante mais de meio sculo, observando em seu laboratrio a diferena de cor e intensidade da luz incidente e reflexa, quando uma variedade de fluorita verde era atravessada, convenceu-se de que a absoro e a reflexo seletivas no justificavam as mudanas experimentadas pela radiao emergente. Stokes tinha presentes os trabalhos de Hay e Brewster.

Em sua obra, On the Change of Refrangibility of Light, publicada em Cambridge em 1852, diz estar decidido a cunhar uma nova palavra, fluorescncia, etimologicamente procedente da fluorita ou espato flor, anloga j existente opalescncia, que descrevia os fenmenos pticos que se produzem na opala. Hoje se considera que Stokes foi o primeiro a propor a utilizao da fluorescncia com fins analticos, em 1854, quando estabeleceu a relao existente entre a intensidade da fluorescncia e a concentrao do soluto em solues de sulfato de quinina. Foi assim que surgiu a lei de Stokes, segundo a qual, a luz absorvida na regio ultravioleta ou violeta do espectro eletromagntico emitida no azul ou no vermelho, vale dizer, numa longitude de onda mais longa; a diferena constitui o que se chama de deslocamento de Stokes. Essa lei foi discutida durante vrias dcadas e teve que aguardar at que Einstein, em 1917, diferenciasse a emisso espontnea e a emisso estimulada, para ratific-la.

A glria da interpretao fsica ficou com Stokes, mas no se deve negar o mrito de Brewater (1833) e Herschel (1845), que ao observarem o fenmeno, consideraram-no uma disperso interna, nem o de Monardes, que o descreveu pela primeira vez.

Nas ltimas dcadas do sculo XIX, foi ficando cada vez mais evidente sua utilidade como tcnica analtica. Em 1867, Goppelsrder props o termo fluoreszenzanalyse para a fluorimetria (espectroscopia de fluorescncia molecular).

Nesse ano, Berthelot sintetiza o fluoreno. Intimamente ligado a esses avanos, a sntese realizada por Baeyer em 1871, de um composto orgnico to fluorescente que foi chamado de fluorescena. Em 1877, foi realizada uma curiosa experincia para demonstrar a conexo subterrnea entre o Danbio e o Reno. Foram jogados na cabeceira do Danbio, 10 kg de fluorescena; 70 horas aps pde-se observar a fluorescncia caracterstica desse composto, num riacho que, aparentemente, no tinha conexo com o Danbio, mas que verte suas guas no lago Constanza e, portanto, no Reno. Dessa forma, demonstrou-se, inequivocamente, que dois dos rios mais importantes da Europa estavam unidos. Walter, em 1888, estudou o amortecimento da fluorescncia. Nicols e Merrit observaram, em 1907, em solues de eosina, a simetria existente entre o espectro de absoro e o de fluorescncia de diversos derivados do benzeno, valores que eram mencionados at poucos anos atrs. A fluorimetria tambm contribuiu indiretamente para a descoberta dos raios X e da radioatividade.

A catodoluminescncia permitiu a Crooks (1883) e Boisbaudran (1885) descobrir e separar as terras raras.


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Wiedemann, em 1887, detalhou a emisso fosforescente de diversos corantes, anilinas, interpostos em gelatina; James Dejar, em 1894, descreve a fosforescncia de solues sobre-esfriadas de compostos orgnicos.

Ao longo do sculo XX, foram sucedendo-se brilhantes descobertas devidas a outros cientistas. Contudo, teve que se aguardar at 1935, quando o polons Jablonski props seu famoso diagrama, que trazia uma interpretao fsica mais adequada dos fenmenos luminescentes de fluorescncia e fosforescncia. O diagrama eletrnico proposto por ele , atualmente, a base para a interpretao desses fenmenos e leva, como homenagem, seu nome. Durante sculos, os fenmenos luminescentes estavam mesclados e confundidos; s a partir do sculo XIX que foram considerados independentes e, obviamente, suas aplicaes analticas, embora no excludentes em muitas ocasies, apresentam-se, geralmente, em captulos diferentes.

Tambm devem ser mencionadas as importantes contribuies cientficas realizadas nestes campos por Kautsky, Tiede, Lewis y Kasha, sem esquecer-se de Stern, Volmer, Vavilov, Kavahaghm Levshin, Gaviola e Perrin.

Desde as ltimas dcadas do sculo XIX, todas as tcnicas luminescentes comeam a ter um papel cada vez mais importante na anlise qumica e, obviamente, na farmacutica. Pode-se afirmar que, desde o final do sculo XIX at os anos 80 do XX, o devir das tcnicas analticas baseadas nos fenmenos de luminescncia levou para caminhos muito dspares, pois, enquanto a fluorimetria experimenta um desenvolvimento espetacular, por causa de suas interessantes aplicaes, a fosforimetria, que requer condies especiais (normalmente, meios rgidos ou solues vitrificadas a 77 k), ficou relegada, at sua posterior expanso faz 15 anos. Atualmente, est surgindo uma nova era para as espectrometrias de luminescncia, estando assentadas as bases que explicam os fenmenos implicados, estabelecida uma terminologia cientfica clara e aceita, com algumas modificaes complementares, o diagrama de Jablonski, com o apoio das teorias mecnico-qunticas. Dispe-se de ferramentas de trabalho muito teis para diversos campos cientficos, que permitiram o desenvolvimento vertiginoso dessas tcnicas analticas.

Nas ltimas trs dcadas, a espectroscopia de luminescncia molecular, em duas de suas vertentes, tanto fluorimetria quanto fosforimetria, tm passado de mtodos rudimentares de trabalho a importantes tcnicas instrumentais, utilizadas na anlise e quantificao, tanto de compostos orgnicos quanto inorgnicos. Aos poucos, foi-se ganhando terreno s tcnicas de absoro UV-VIS, utilizadas anteriormente e nos ltimos anos, tm alcanado grande notoriedade analtica. Isso foi possvel graas s singulares caractersticas de sensibilidade e seletividade dessas tcnicas, bem como ao elevado desenvolvimento integral alcanado, que permitiu sua automatizao. Com a recente associao dos modernos espectrofotmetros de luminescncia, como detectores em cromatografia lquida de alta eficcia, seu interesse analtico tem-se intensificado.

Finalmente, deve-se destacar que, na atualidade, os mtodos fluoroimunoanalticos (FIA) fornecem maior sensibilidade que os radioimunoanalticos


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(RIA), com maior vantagem por no precisarem operar com istopos radiativos, portanto, sem o problema adicional que, s vezes, representa seu uso, tanto do ponto de vista ambiental quanto da segurana no laboratrio.

Um ltimo aspecto de grande importncia nas tcnicas fluorimtricas constitudo pela possibilidade de se cinematografar in vivo clulas marcadas e assim captar, em escala de tempo real, as modificaes que se produzem.

Referncias

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