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FOTOQUÍMICA 
Silvia Lores Arnaiz y Alberto Boveris 
 
La naturaleza de la luz. 
Los primeros experimentos importantes sobre la naturaleza de la luz fueron realizados por Isaac 
Newton en 1666. En base a sus resultados, Newton llegó a la conclusión de que la luz se 
componía de diminutas partículas (“corpúsculos”) que viajaban a enormes velocidades (teoría 
corpuscular). Esta suposición permitía explicar la propagación rectilínea de la luz, así como las 
observaciones pertenecientes a la óptica geométrica, pero no explicaba los fenómenos de 
difracción, interferencia y descomposición de la luz. La teoría corpuscular implicaba la existencia 
de sombras nítidas y no admitía, pues, que la luz pudiera bordear un obstáculo o cuerpo opaco. 
En 1678, el físico holandés Christian Huyghens propuso una teoría opuesta: la luz se componía 
de minúsculas ondas. La teoría ondulatoria, que siguió a la corpuscular, suponía que la luz resulta 
de la propagación de ondas, semejantes a las del sonido, las cuales se transmiten a través de un 
fluído que fue llamado éter. Esta nueva interpretación permitía explicar los fenómenos de 
refracción (desviación de la luz cuando atraviesa una superficie de separación entre dos medios 
diferentes), polarización e interferencia. Sin embargo, la teoría de Huyghens sobre las ondas 
tampoco fue muy satisfactoria. No explicaba por qué se movían en línea recta los rayos 
luminosos; ni por qué proyectaban sombras recortadas, como tampoco aclaraba por qué se 
interponían los obstáculos sólidos en el camino de las ondas luminosas. Además, obligaba a 
admitir la existencia de un “fluído” cuya presencia no podía ser demostrada. 
Aproximadamente durante un siglo, contendieron estas dos teorías entre sí. La “teoría 
corpuscular” de Newton fue, con mucho, la más popular, en parte porque la respaldó el famoso 
nombre de su autor. Sin embargo, hacia 1801, los experimentos llevados a cabo por Thomas 
Young, físico y médico inglés, permitieron concluir que la razón de que las ondas luminosas se 
desplacen en línea recta y proyecten sombras recortadas se debe a que todas son 
incomparablemente más pequeñas que cualquier objeto: pueden bordear un obstáculo 
suficientemente pequeño (fenómeno de difracción). 
Pese a todas las evidencias que se habían ido acumulando sobre la naturaleza de la luz, seguía 
en pie un interrogante: Cómo se trasmite la luz en el vacío? 
En la década de 1860, James Clerk Maxwell, ideó un conjunto de ecuaciones que demostraron la 
relación entre los fenómenos de electricidad y magnetismo, y su carácter inseparable. 
Allí donde existiese un campo eléctrico, debería haber un campo magnético y viceversa. De 
hecho, había sólo “un campo electromagnético”. Por añadidura, y considerando los corolarios de 
dichas ecuaciones, Maxwell opinó que un campo eléctrico cambiante debería inducir un campo 
magnético cambiante, el cual a su vez induciría otro campo eléctrico cambiante, y así 
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sucesivamente, y el campo se extendía en todas direcciones. El resultado era una radiación cuyas 
propiedades se asemejaban a las de las ondas. En resumen, Maxwell predijo la existencia de la 
“radiación electromagnética”. 
De acuerdo a la teoría electromagnética, la luz está constituída por la propagación de una 
oscilación armónica de un campo eléctrico y uno magnético perpendiculares entre sí y a la 
dirección del rayo. 
A pesar de los grandes éxitos de la teoría electromagnética ondulatoria de Maxwell en la 
predicción de muchos fenómenos relacionados con la luz, fracasó en la descripción de algunos 
procesos en que la luz es absorbida o emitida por la materia. La teoría electromagnética no 
alcanza a explicar ciertos hechos como el efecto fotoeléctrico, que obligan a admitir la naturaleza 
corpuscular de la luz. Como, por otra parte, los fenómenos de interferencia se explican por la 
naturaleza ondulatoria, nos vemos en la obligación de admitir para la luz una dualidad que resulta 
chocante de acuerdo con los conceptos de la Física Clásica. 
La moderna teoría cuántica, desarrollada por el físico alemán Max Planck a principios de siglo, 
establece que la radiación se compone de pequeñas unidades o paquetes y denominó “cuanto” a 
la unidad de radiación. Planck alegó que la radiación absorbida sólo podía ser un número entero 
de cuantos. La cantidad de energía de un cuanto dependía de la longitud de onda de la radiación. 
Cuanto menor fuera esa longitud de onda, mayor sería la energía del cuanto. 
Desde aquel momento se pudo relacionar directamente el cuanto con la frecuencia de una 
determinada radiación. Planck lo expresó con su famosa ecuación: E = h n. 
A su debido tiempo, la teoría de los cuantos de Planck explicaría el comportamiento de los 
átomos, de los electrones en los átomos y de los nucleones en los núcleos atómicos. Planck fue 
galardonado con el Premio Nobel de Física en 1918. 
 
1. LA FOTOQUÍMICA. CONCEPTOS BÁSICOS 
 
La fotoquímica es el área de la fisicoquímica y de la química que trata el efecto de la luz sobre las 
reacciones químicas. Así, se ocupa de los mecanismos de las reacciones iniciadas por acción de 
la luz y de las velocidades de estas reacciones. También se ocupa de las reacciones químicas 
que generan luz sin aumento de temperatura (quimioluminiscencia). 
Las reacciones químicas pueden ser entendidas como pertenecientes a uno de dos tipos: (i) 
térmicas o colisionales y (ii) fotoquímicas. 
 
i) Reacciones térmicas o colisionales 
Las reacciones térmicas o colisionales involucran átomos y moléculas en sus estados electrónicos 
basales, donde el paso determinante de la velocidad de reacción es la formación del complejo 
activado, una especie química formada normalmente a partir de dos moléculas (reactivos) en una 
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colisión molecular. La energía para la formación del complejo activado (energía de activación de 
Arrhenius), que siempre es positiva, es aportada por la suma de las energías cinéticas de los 
reactivos. Sin embargo, la agitación térmico-molecular no es el único procedimiento por el cual la 
energía de los átomos y moléculas aumenta lo suficiente como para causar la reacción. 
 
ii) Reacciones fotoquímicas 
Las reacciones fotoquímicas involucran átomos o moléculas en estados electrónicamente 
excitados, que se forman por absorción de radiación; si la energía de excitación y la vida media 
del estado excitado son suficientes, puede llevar a una reacción química. Las reacciones 
fotoquímicas ocurren normalmente a través de moléculas orgánicas o biomoléculas activadas por 
luz visible y ultravioleta. Las moléculas de reactivo deben ser primero excitadas electrónicamente 
por la luz, de esta manera el paso determinante de la velocidad de reacción es la formación del 
estado electrónicamente excitado, abreviadamente el “estado excitado”, una especie química 
distinta de las moléculas de reactivo, obviamente con distinta reactividad. La energía para la 
formación del estado excitado, que siempre es positiva, es aportada por la luz absorbida. De esta 
manera, la luz absorbida determina la ocurrencia de una reacción química y con frecuencia 
produce cambios químicos bajo condiciones donde la activación térmica o colisional no es 
efectiva. 
En las reacciones espontáneas, la luz puede actuar como catalizador, es decir acelerando su 
velocidad. Por otro lado, en las reacciones termodinámicamente imposibles, es decir no 
espontáneas, la luz absorbida por el sistema puede incrementar la energía libre de los reactivos 
suficientemente como para hacer que se haga termodinámicamente espontánea y ocurra. Un 
ejemplo claro es la fotosíntesis: bajo la acción de la luz solar absorbida por la clorofila, y a través 
de una serie de reacciones, el dióxido de carbono y el agua se combinan en las plantas para 
producir carbohidratos y oxígeno. Otros ejemplos son la conversión de oxígeno en ozono, y la 
descomposición del HCl en hidrógeno y cloro. 
La Figura 1 ilustraacerca de los procesos fotoquímicos que ocurren en moléculas excitadas por la 
luz. La formación del estado electrónicamente excitado constituye el paso clave de estos 
procesos. En la mayor parte de los casos, un electrón constituyente de un par de electrones p de 
un orbital molecular es llevado a un orbital de mayor energía a expensas de la energía del fotón 
absorbido. Los estados excitados son efímeros por naturaleza y el electrón excitado retorna a su 
estado basal en tiempos del orden de 1 pseg a 1 µseg aproximadamente, disipando la energía 
absorbida a través de mecanismos radiativos y no radiativos. 
La Figura 2 ilustra acerca de los procesos colisionales y químicos que llevan a la formación de 
estados electrónicamente excitados sin intervención de luz. Estos procesos son conocidos como 
la fotoquímica de la oscuridad. Los estados excitados formados en estas condiciones tienen las 
mismas propiedades y destinos que los formados por absorción de un fotón. 
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Figura 1: Procesos fotoquímicos en moléculas excitadas por absorción de luz. Nótese la 
relevancia funcional del estado electrónicamente excitado, abreviadamente del estado 
excitado. 
 
 
 
 
 
 
Absorción de luz 
Estado electrónicamente 
excitado 
Disipación 
Mecanismos radiativos Mecanismos no radiativos 
(1) Fluorescencia 
(2) Fosforescencia 
Químicos 
(1) Singlete 
(2) triplete 
Físicos 
(1) Conversión interna 
(2) Entrecruzamiento 
entre sistemas 
Luz¾¾® luz 
hn ¾® hn‘ 
 
Luz ¾¾® Energía 
 química 
 hn ¾® DG 
 
Luz ¾¾® Calor 
hn ¾® q 
Efecto neto
 
Efecto neto
 
Efecto neto
 
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 Efecto neto Efecto neto Efecto neto 
 
 
 
 
Figura 2: Procesos fotoquímicos moleculares en la oscuridad. 
 
 
 
 
 
 
 
 
¿Qué es una reacción fotoquímica? 
Dar otros ejemplos de reacciones fotoquímicas. 
 
Compare las Figuras 1 y 2, reconozca las similitudes y las diferencias. 
Reacción de terminación por 
par de radicales libres 
Estado 
electrónicamente 
excitado 
Disipación 
Oxidación y ruptura 
de anillo 
Colisión con otra 
molécula en estado 
excitado 
Mecanismos radiativos Mecanismos no radiativos 
(1) Fluorescencia 
(2) Fosforescencia Químicos 
(1) Singlete 
(2) triplete 
Físicos 
(1) Conversión interna 
(2) Entrecruzamiento 
entre sistemas 
Energía química¾® luz 
DG ¾® hn 
 
Energía química ¾¾® 
Energía química 
DG ¾® DG 
 
 
Energía química ¾® Calor 
 DG ¾® q 
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Analizar e interpretar el siguiente esquema: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
2. ABSORCIÓN Y EMISIÓN DE LUZ 
 
De acuerdo al concepto de “cuanto” de luz, la energía puede ser transferida solamente en 
paquetes discretos (cuantos), y la energía de los cuantos de luz es proporcional a la frecuencia de 
la radiación. Esta restricción puede ser escrita de la siguiente manera: 
E = h n 
donde E es la energía de un cuanto de frecuencia n, y h es la constante universal de Planck 
equivalente a 6.63 x 10-34 J.s. 
La ecuación: E = N h n 
corresponde a la energía de un einstein (1 mol de cuantos), siendo N el número de Avogadro. 
La absorción de luz promueve el pasaje de un átomo de un estado energético más bajo a un 
estado energético más alto; un cuanto o fotón suministra exactamente la energía necesaria para 
esta transición. Se produce una transición similar del nivel superior al inferior por medio de la 
emisión de un cuanto de energía apropiada (Figura 3). 
 
 
 
 
 
Absorción de luz Emisión 
h n = E2 - E1 
h n 
h n 
E1 
E2 
 
 
3P* Fotoquímica 
RH 
O2 
1DgO2, O2•- 
Reacciones 
(bio)químicas 
R• 
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Figura 3: Transiciones electrónicas en una molécula entre dos estados de energías E1 y E2 
acompañadas por la absorción o emisión de un cuanto de luz que posee exactamente la energía 
requerida para dicha transición. 
 
Problema 
Las moléculas de retinal-opsina en la retina del ojo humano, cuando están completamente 
adaptadas a la oscuridad, son excitadas y trasmiten una señal al nervio óptico cuando incide una 
radiación equivalente a 2 x 10-16 W para una superficie de aproximadamente 0,2 cm2. Calcule el 
número mínimo de fotones que deben alcanzar la retina por segundo para producir visión. Asuma 
que la longitud de onda de la luz incidente es 550 nm (Las unidades de los w son voltios. 
amperios, o sea voltios.coulombios.seg-1) (El dato de 2 x 10-16 W ha sido tomado de Chang, R., 
Physical Chemistry with applications to biological systems.). 
Rta: 554 fotones/seg 
 
 
3. TRANSICIONES ELECTRÓNICAS 
 
3.1. Estructura vibracional: El principio de Frank-Condon 
Después de una transición electrónica, los núcleos y las moléculas están sujetos a fuerzas 
diferentes y la molécula puede responder empezando a vibrar. Las transiciones vibracionales que 
acompañan a la excitación electrónica obedecen el principio de Frank-Condon: 
“Debido a que la masa del núcleo es mucho mayor que la de los electrones, una transición 
electrónica es mucho más rápida que la respuesta del núcleo.” 
Antes de la absorción, la molécula está en el estado vibracional más bajo de su estado electrónico 
inferior y la posición más probable de los núcleos es a la distancia de equilibrio Re. Es más 
probable que la transición electrónica se produzca cuando los núcleos se encuentren a esta 
distancia. 
De acuerdo con el principio de Frank-Condon, la red nuclear permanece inalterada durante la 
excitación. Se dice entonces que aquella transición electrónica que se produce sin variación en la 
geometría nuclear es una transición vertical que tiene lugar desde el estado vibracional 
fundamental hasta el estado vibracional situado verticalmente encima (Figura 4). 
 
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Figura 4: Principio de Frank-Condon. Diagrama de energía. 
 
3.2. Diferentes tipos de transiciones 
La absorción de un fotón se puede atribuir a la excitación de tipos concretos de electrones o de 
electrones que pertenecen a un pequeño grupo de átomos. Los grupos con absorciones ópticas 
características se llaman cromóforos y su presencia es, a menudo, la responsable del color de las 
sustancias. 
 
a) Transiciones d-d 
En un átomo libre los cinco orbitales d de una capa dada son degenerados. En un complejo de 
metales d, los orbitales d no son todos degenerados y los electrones pueden absorber energía 
produciéndose transiciones entre ellos. Estas transiciones son responsables de la mayoría de los 
colores tan característicos de los complejos de metales d. 
 
b) Transiciones vibrónicas 
Son transiciones cuya intensidad proviene de una vibración asimétrica de la molécula. Las únicas 
transiciones permitidas son aquellas que van acompañadas de un cambio de paridad. Es decir, 
las transiciones u ® g y g ® u están permitidas, pero las transiciones g ® g y u ® u están 
prohibidas. Una transición g ® g puede llegar a ser permitida si se elimina el centro de simetría 
por una vibración asimétrica (transición vibrónica). 
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c) Transiciones de transferencia de carga 
Se producen como resultado de la transferencia de un electrón desde los ligandos hacia los 
orbitales d del átomo central, o viceversa. Ejemplo: en el ión permanganato MnO4-, el electrón 
migra desde un orbital que está altamente confinado en el átomo de O de los ligandos hacia un 
orbital que está altamente confinado en el átomo de Mn. 
 
d) Transiciones p ® p* y n ® p* 
Son transiciones causadas por la absorción por un doble enlace C = C que excita un electrón a un 
orbital p* antienlazante. Ejemplo: transición p ® p* en el 11-cis-retinal, base del mecanismo 
fotoquímico de la visión (ver más adelante en Aplicaciones de la Fotoquímica a la Biología). 
 
4. EXCITACIÓN Y DESEXCITACIÓN DE MOLÉCULAS ORGÁNICAS 
 
La absorción de luz visible o UV por una molécula orgánica causa la excitación de un electrón de 
un orbitalde baja energía, a un orbital de alta energía, inicialmente desocupado. El proceso puede 
ser visualizado en el siguiente esquema (Figura 5). 
 
Figura 5: Descripción de los desplazamientos de los electrones en los niveles energéticos 
de los orbitales durante la absorción y emisión de luz. 
 
La energía del fotón absorbido es utilizada para promover un electrón a un orbital de mayor 
energía. Existen dos estados electrónicos posibles: en uno los espines electrónicos están 
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apareados (antiparalelos) y en el otro desapareados (paralelos). El estado de singulete 
corresponde al estado con espines apareados, que no es alterado por un campo magnético. El 
estado de triplete posee espines desapareados y es capaz de interaccionar con un campo 
magnético para dividirse en tres estados cuánticos. 
La fotoquímica de la mayor parte de las moléculas orgánicas es discutida con referencia a estos 
tres estados en términos de diagramas de estado de energía. El concepto clásico relacionando 
estos estados es conocido como “esquema de Jablonski”. 
 
 
 
 
 
5. VÍAS DE DESEXCITACIÓN 
 
Los estados excitados indicados como S1 y formados a través de la absorción de un fotón (Figura 
6-1), tienen una vida media corta y la configuración electrónica inestable retorna al estado basal o 
fundamental a través de uno de los siguientes procesos: 
 
a) por emisión de un fotón a través de un proceso de fluorescencia (Figura 6-2) 
 
b) perdiendo su exceso de energía por colisión con otras moléculas, y liberando calor (Figura 6-3) 
 
c) perdiendo algo de energía por colisión y pasando al estado triplete a través de un proceso 
denominado de entrecruzamiento de sistemas, por el pasaje de S1 a T1 (Figura 6-4) 
 
d) por emisión de un fotón a través de un proceso de fosforescencia (Figura 6-5) 
 
e) por reacción química (por ejemplo isomerización, disociación o ionización) 
 
f) por colisión con otra molécula que actúa como aceptor a través del mecanismo de transferencia 
de energía de excitación electrónica o abreviadamente de transferencia de energía. 
 
La Figura 6 muestra la posibilidad de las distintas vías de desexcitación incluyendo fluorescencia, 
fosforescencia, fotoquímica y desexcitación sin radiación. 
 
 
 S0 = estado singulete basal 
 S1 = estado singulete excitado de más baja energía 
 T1 = estado de triplete de más baja energía 
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Estado excitado 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 6: Vías de desexcitación de una molécula en un estado excitado. Los procesos no 
radiativos y los procesos fotoquímicos pueden involucrar estados intermediarios 
metaestables. 
 
Las reacciones fotoquímicas ocurren en tres estadíos: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Los tipos de energía más conocidos producidos en los procesos fotoquímicos primarios son: 
 
AB* ¾¾® AB + hn Fluorescencia/Fosforescencia 
AB* ¾¾® A + B Disociación 
AB* + M ¾¾® AB + M Quenching 
AB* + C ¾¾® AB + C* Transferencia de energía 
AB* + C ¾¾® A + BC Reacción química 
 
 
¿Qué diferencia los procesos de fluorescencia y fosforescencia? 
 
h n 
h n 
Fotoquímica 
Desexcitación 
sin radiación 
h n 
Fluorescencia 
Fosforescencia 
Estado 
fundamental 
Absorción 
1. Absorción: consiste en la interacción de un fotón con una molécula, resultando en la 
absorción del fotón y la formación de una molécula electrónicamente excitada. 
2. Proceso fotoquímico primario: es una reacción química que involucra moléculas 
electrónicamente excitadas. 
3. Procesos secundarios u “oscuros”: ocurren a partir de intermediarios producidos por 
procesos fotoquímicos primarios. 
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5.1. Fluorescencia 
Es la emisión de radiación causada por la transición molecular de un estado excitado al estado 
basal sin cambios en la multiplicidad de spin. La absorción inicial del fotón se produce desde el 
estado fundamental de singulete S0 al primer estado excitado de singulete S1 (o a un nivel de 
singulete superior) y la emisión del fotón se produce desde el primer estado excitado de singulete 
S1 al estado fundamental S0. Si se comparan los espectros de absorción y emisión de las 
moléculas, se puede observar que no se superponen, sino que forman imágenes especulares, con 
el espectro de emisión desplazado hacia longitudes de onda más largas (Figura 7). 
 
 
Figura 7: Relación entre absorción y fluorescencia. n = 0 a 4 y n‘= 0 a 4 indican diferentes estados 
vibracionales. 
 
Dado que el tiempo requerido para un proceso de vibración intramolecular (10-14-10-13 seg) es 
mucho más corto que el decaimiento o vida media (10-9-10-5 seg) de la fluorescencia, la mayor 
parte del exceso de energía vibracional se disipa a los alrededores como calor, y las moléculas 
excitadas decaen a sus niveles vibracionales basales (S1, n‘= 0) antes de emitir el fotón de la 
fluorescencia. Se define eficiencia o rendimiento cuántico de la fluorescencia fF a la relación entre 
el número de fotones emitidos por fluorescencia y el número total de fotones absorbidos. El valor 
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máximo de fF es 1, aunque puede ser apreciablemente menor que 1 si existen otros procesos 
presentes para desactivar las moléculas excitadas. 
 
fF = fotones emitidos/fotones absorbidos 
 
La intensidad de la fluorescencia emitida luego de que la radiación inicial deja de incidir sobre la 
muestra, o sea la intensidad del decaimiento de la fluorescencia está dada por: 
 
I = Io e-t/t 
 
donde I es la intensidad a tiempo t y t es la vida media del estado fluorescente. El tiempo de vida 
media es equivalente al tiempo que debe transcurrir para que la intensidad original decaiga a 1/e o 
0,368 de su valor original. Entonces cuando t = t, I = Io/e. Nótese que el concepto de vida media 
en fluorescencia es aritméticamente distinto del concepto de vida media en cinética de primer 
orden y en radioquímica donde vida media o t 0.5 es el tiempo en que la especie química o el 
isótopo pasa al 0,5 de su valor original. 
 
5.2. Fosforescencia 
La fosforescencia ofrece una vía diferente para el retorno de una molécula excitada al estado 
fundamental a través de la emisión de luz. La fosforescencia puede ser diferenciada de la 
fluorescencia por dos características principales. Primero, la fosforescencia tiene un período de 
decaimiento más largo que la fluorescencia, aproximadamente de 10-3 seg (1 mseg) a varios 
segundos. Segundo, una molécula que se encuentra en estado de emitir fosforescencia es 
paramagnética, conteniendo 2 electrones desapareados; esto es, en estado de triplete (Figura 8). 
Inicialmente, un electrón es promovido de So a S1. La promoción es seguida de un proceso 
llamado de entrecruzamiento de sistemas, en una transición sin radiación, en el cual el electrón 
invierte su spin y cae de S1 a T1, el nivel más bajo de triplete, sin emisión luminosa. Al final ocurre 
una transición radiante de T1 a So. Este paso se denomina fosforescencia. Dado que la transición 
involucra un cambio de estado y de multiplicidad (de triplete a singulete) tiene una probabilidad 
baja y una vida media prolongada. La emisión de fosforescencia ocurre a una longitud de onda 
mayor que la fluorescencia, ya que la transición T1 ® So implica menor energía que la transición 
S1 ® So. 
 
 
 
 
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Figura 8: Diagrama de Jablonski de absorción, fluorescencia y fosforescencia. 
 
 
 
 
5.3. Disociación y predisociación 
Otro de los destinos posibles de una molécula excitada electrónicamente es la disociación, en la 
que tiene lugar la ruptura de los enlaces. El inicio de la disociación se puede detectar en un 
espectro de absorción ya que la estructura vibracional se interrumpe a una cierta energía. La 
localización del límite de disociación es una forma útil de determinar la energía de disociación del 
enlace. 
En algunos casos la estructura vibracional desaparece pero reaparece a energías fotónicas más 
elevadas. Esta predisociaciónse puede interpretar en base a las curvas de energía potencial 
molecular. Cuando se excita una molécula a un nivel vibracional, sus electrones pueden sufrir una 
reorganización cuyo resultado es una conversión no radiativa a otro estado de la misma 
multiplicidad, conocida como conversión interna. 
 
5.4. Reacciones fotoquímicas 
Leyes de la fotoquímica 
La Primera Ley de la fotoquímica, es también conocida como el principio de activación 
fotoquímica de Grotthus y Draper, enunciado en 1818 y establece que sólo la luz que es 
absorbida por una sustancia produce una reacción fotoquímica. Este principio introduce la idea 
importante de que es la radiación la que suministra la energía necesaria para la activación de las 
moléculas de los reactivos. 
Enumerar y explicar algunas diferencias importantes entre fluorescencia y fosforescencia 
 
 
Absorción 
Fluorescencia Fosforescencia 
Conversión 
 interna 
Cruzamiento 
entre sistemas 
T1 
S
0 
S1 
S3 
S2 
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En la etapa primaria de un proceso fotoquímico, una molécula es excitada por la absorción de un 
cuanto de radiación. Es indispensable distinguir claramente entre la etapa de absorción de luz y 
los procesos posteriores de reacción química. Como ya vimos, la molécula activada no 
necesariamente pasa por una reacción; en la mayor parte de los casos, la absorción de luz por las 
moléculas es seguido de una desexcitación colisional con otras moléculas, donde el exceso de 
energía se transforma en calor. En algunos casos una molécula excitada puede desencadenar 
una reacción en cadena llevando a reaccionar a muchas otras moléculas (Ver Figuras 1 y 2). 
 
La Segunda Ley de la fotoquímica también es conocida como la Ley de la Equivalencia 
Fotoquímica o el principio de activación cuántica de Stark-Einstein y fue enunciado en 1904-
1906. Esta ley establece que “Cualquier molécula o átomo activado por la luz absorbe únicamente 
un cuanto de luz que causa la activación”. El concepto básico de esta ley es: 
 
 
La energía que adquiere el átomo o molécula en esta absorción depende de la frecuencia de la 
luz irradiante, de acuerdo a la relación de Planck (E = h n). 
La ley de equivalencia fotoquímica se aplica solamente a los procesos primarios de absorción o 
emisión de luz. 
 
 
 
 
Rendimiento cuántico 
El concepto de rendimiento cuántico está basado en la idea de que un único fotón o cuanto 
absorbido por una molécula puede producir la excitación y por consiguiente la alteración 
fotoquímica de esa molécula. En consecuencia, se podría esperar que exista una relación 
estequiométrica entre fotones absorbidos y moléculas de productos fotoquímicos. Esta relación 
puede ser expresada como rendimiento cuántico o eficiencia: moléculas de fotoproducto por fotón 
absorbido. La medida de eficiencia cuántica, puede ofrecer información básica sobre los 
mecanismos de las reacciones fotoquímicas. 
 
f = número de moléculas que reaccionan en un tiempo dado/ número de fotones 
absorbidos en el mismo tiempo 
La magnitud de f puede variar de 0 hasta valores muy grandes (>104). 
La ley de la equivalencia fotoquímica se aplica sólo a los procesos de absorción o procesos 
fotoquímicos primarios. Cuando, como consecuencia de la absorción primaria se descompone 
“una molécula = un fotón” 
 
¿Puede aplicarse el principio de Stark-Einstein a procesos secundarios? ¿Por qué? 
 
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sólo una molécula, es decir cuando el estado excitado lleva a reacción química, el número de 
moléculas de productos será igual al número de fotones absorbidos. Con mayor frecuencia, sin 
embargo, una molécula activada fotoquímicamente inicia una serie de reacciones colisionales 
como resultado de las cuales se forman varias o muchas moléculas de producto. Bajo tales 
condiciones, no existirá una relación 1:1 entre las moléculas reaccionantes y el número de 
cuantos absorbidos. En los procesos donde predomina la desexcitación por vías no químicas, se 
forma mucho menos de una molécula por fotón. 
 
Tabla: Rendimiento cuántico de algunas reacciones químicas y bioquímicas 
 
Reacción Rendimiento cuántico, f* 
NH3 (g) ¾® ½ N2 (g) + 3/2 H2 (g) 0,2 
S2O82- (aq) + H2O ® 2 SO42- (aq) + 2 H+ (aq) + ½ O2 (g) 1 
H2 (g) + Cl2 (g) ¾® 2 HCl (g) 105 
Rodopsina ® retinal + opsina (en ojos de mamíferos) 1 
2 Timina ® dímero de timina (en DNA) 10-2 
Hemoglobina • CO ® hemoglobina + CO (g) 1 
Hemoglobina • O2 ® hemoglobina + O2 (g) 10-2 
 
* Los valores dependen de la longitud de onda y de otras condiciones experimentales 
 
Preguntas y problemas 
1) ¿A qué mecanismos puede atribuirse un rendimiento cuántico menor que 1? 
2) ¿Cómo explicaría un rendimiento cuántico de 100? 
3) En una reacción fotoquímica, se requieren 428 kJ/mol para romper una cierta unión.¿Qué 
longitud de onda puede ser empleada para esta irradiación? 
Rta: 279 nm 
4) Una molécula orgánica absorbe a 550 nm. Si una cantidad de 0.031 moles de dicha molécula 
es excitada por 1.43 einsteins de luz, ¿cúal es la eficiencia cuántica de este proceso? Calcule 
también la energía total absorbida. 
Rta: f = 0.022, E = 3.1 x 105 J 
 
 
 17 
5) Dados los siguientes datos correspondientes al decaimiento de luminiscencia de una cierta 
molécula orgánica: 
t (s) 0 1 2 3 4 5 10 
I 100 43,5 18,9 8,2 3,6 1,6 0,02 
donde I es la intensidad relativa. Calcule el tiempo de vida media t para el proceso. De qué tipo de 
proceso se trata: fluorescencia o fosforescencia? 
Rta: t = 1.1 seg 
6) a) Calcule la energía de un einstein correspondiente a una longitud de onda de 176 nm. 
Sabiendo que dicha radiación es capaz de escindir la molécula de oxígeno en sus dos átomos; 
compare el valor obtenido con la energía del enlace O-O. 
b)Una radiación de 290 nm (rango UV-B) descompone la molécula de O3 en O2 y O•. Calcule la 
energía absorbida. 
c) Discuta el significado de los resultados obtenidos en a) y b) Cómo se mantiene el estado 
estacionario de ozono en la estratosfera?. 
Rta: a) 679 kJ, b) 412 kJ 
 
 
5.5. Transferencia de energía. 
Los estados excitados de tipo singulete (S1) tienen en general una vida media del orden de 
aproximadamente 1 a 1000 pseg, un tiempo relativamente corto para que estos estados excitados 
puedan colisionar efectivamente con otras moléculas. En solución, los estados S1 normalmente no 
alcanzan a salir de la celda del solvente. 
Por el contrario, los estados excitados de tipo triplete (T1) tienen en general una vida media del 
orden de 1 a 1000 µseg, con lo que tienen oportunidad de colisionar y reaccionar con otras 
moléculas. Aparte de las reacciones químicas específicas involucrando ruptura y formación de 
nuevas uniones químicas, los estados excitados T1 tienen la propiedad de poder transferir energía 
de excitación electrónica a otra molécula que actúa como aceptor. 
A* + B ¾¾® A + B* 
En este caso A* representa un estado excitado, generalmente T1 si bien puede ser S1, de la 
molécula denominada dador y B la molécula aceptora. El resultado de la transferencia es el paso 
de A* a A (de T1 a S0) y B a B* (de S0 a T1). Una característica de estas reacciones es que son 
extremadamente rápidas, que ocurren con energías de activación prácticamente igual a cero, 
prácticamente en cada colisión de A* y B y con constantes de velocidad de reacción cercanas al 
límite de Smoluchowsky para reacciones controladas por difusión (1 x 1010 M-1 s-1 a 30 oC). 
 
 
 18 
Apagadores de fluorescencia. 
Los apagadores (quenchers) de fluorescencia constituyen un caso especial de moléculas que 
actúan a través de transferencia de energía. En este caso el dador es un estado singulete (S1) 
emisor de fluorescencia y de vida lo suficientemente larga como para colisionar con el aceptor. 
Éste a su vez produce un estado excitado no radiativo que decae de B* a B transformando el 
exceso de energía en calor. El resultado es que la inclusión de B en el sistema apaga la 
fluorescencia de A* (quenching colisional). 
 
Cinéticade extinción de la fluorescencia. Ecuación de Stern-Volmer 
La cinética de extinción de la fluorescencia se basa en dos reacciones paralelas de una molécula 
excitada A*. Esta molécula puede emitir un fotón de fluorescencia o desactivarse por colisión con 
un agente de extinción Q (quencher). 
 
 k1 
Fluorescencia: A* ¾¾® A + hn 
 
 k2 
Extinción: A* + Q ¾¾® A + Q + calor 
 
Si una muestra fluorescente se está iluminando de una forma continua, se alcanza rápidamente 
un estado estacionario, con una concentración constante de moléculas en el primer singulete 
excitado, es decir d[A*]/dt = 0. En ausencia y en presencia de una sustancia capaz de producir 
quenching colisional puede, por lo tanto, escribirse 
 
 d[A*]0/dt = Iab - k1 [A*]0 = 0 
 d[A*]/dt = Iab - ( k1 + k2 [Q]) [A*] 
 
donde [A*]0 y [A*] son las concentraciones de la molécula excitada en ausencia y en presencia del 
quencher. A partir de estas dos ecuaciones, se obtiene: 
 [A*]0/[A*] = If0/If = 1 + (k2/k1) [Q] = 1/fF 
teniendo en cuenta que la intensidad de fluorescencia en ausencia (If0) y en presencia del 
apagador (If) son proporcionales a las respectivas concentraciones de A*. Esta ecuación de 
conoce como ecuación de Stern-Volmer. 
La representación gráfica de If0/If (=1/fF) en función de la concentración de quencher [Q], debe dar 
lugar a una recta, cuya pendiente es la constante de Stern-Volmer, a partir de la cual puede 
obtenerse k2. 
En la Figura 9 se muestra la extinción de la fluorescencia de NO2 (Diagrama de Stern-Volmer). 
 19 
 
Figura 9: Extinción de la fluorescencia de NO2 en función de las concentraciones (Q) de varios 
gases. Diagrama de Stern-Volmer. fF corresponde a la fracción de moléculas que fluorescen en 
presencia del quencher. 
 
El quenching colisional requiere el contacto entre la molécula fluorescente y el quencher. El 
proceso está frecuentemente controlado por la difusión y su estudio puede dar importante 
información molecular, especialmente en sistemas de interés bioquímico. Así, el estudio del 
quenching puede permitir el de la accesibilidad del quencher a la molécula fluorescente o al grupo 
responsable de la fluorescencia dentro de la molécula (fluoróforo). Pueden citarse algunos 
ejemplos: el estudio del quenching da información sobre la difusión del quencher (estará inhibido , 
por ejemplo, en un medio muy viscoso); medidas de quenching pueden servir para diferenciar 
fluoróforos en la superficie (accesibles al quencher) de otros internos (inaccesibles) en una 
macromolécula (por ejemplo, restos triptófano en una proteína); puede obtenerse información 
sobre la estructura del entorno de un fluoróforo en una macromolécula estudiando el efecto de 
quenchers de distintas cargas eléctricas, cuyas posibilidades de colisión con aquél dependerán de 
la carga de dicho entorno, etc. 
 
Fotosensibilizadores 
Ciertas sustancias, normalmente coloreadas o colorantes como el Rosa de Bengala, las porfirinas, 
la riboflavina y el azul de metileno, tienen la propiedad de que al ser adicionadas a células 
aisladas de tejidos u otros sistemas biológicos, sensibilizan a los sistemas biológicos a la 
exposición a la luz, que de otra manera no producirá efecto biológico alguno. Estas sustancias son 
 20 
conocidas como fotosensibilizadores y producen su efecto biológico, normalmente matando a las 
células, en concentraciones bajas del orden de 1 a 10 µM. 
Para el caso del Rosa de Bengala, que puede considerarse un caso típico, la absorción de luz 
verde (540 nm) produce un estado excitado T1 estable que reacciona colisionalmente con el 
oxígeno molecular generando oxígeno singulete (1O2), el estado excitado del oxígeno molecular, 
que es tóxico para las células por su alta e inespecífica reactividad que lleva a la inactivación de 
diferentes enzimas. 
 
 RB + hn (540 nm) ¾¾® RB* 
 RB* + O2 ¾¾® RB + 1O2 
 
Las porfirinas (P) siguen el mismo mecanismo de reacción y son utilizadas para el tratamiento de 
ciertos tipos de cáncer, dada la capacidad de algunos tumores de transportar activamente y 
concentrar a las porfirinas. La luz utilizada es la del láser de rubí y es llevada a los tumores por 
fibras ópticas. 
 
 P + hn (640 nm) ¾¾® P* 
 P* + O2 ¾¾® P + 1O2 
 21 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fototerapia en bebes prematuros 
Los bebes prematuros tienen un defecto de maduración en la expresión de la enzima 
glucuroniltransferasa, lo que se manifiesta como una falla en la conjugación de la bilirrubina, 
el tetrapirrol lineal proveniente de la destrucción de la hemoglobina, y una acumulación de 
este pigmento amarillo en la sangre. La bilirrubina en concentraciones elevadas es tóxica, 
fijándose en núcleos cerebelares por se elevada hidrofobicidad, dando el sindrome 
denominado kernicterus. 
 
 
 
Los bebes prematuros son tratados exitosamente exponiéndolos a una lámpara de UV-A 
(360-420 nm) por períodos de 30 a 60 minutos; la luz alcanza a la bilirrubina circulando en 
los capilares sanguíneos y genera Bi* la que colisionando con el oxígeno sanguíneo (a la 
relativamente alta concentración de 40 a 100 µM) produce 1O2. Este reacciona con la 
bilirrubina sin salir de la celda del solvente, la que es relativamente rígida por la 
hidrofobicidad de la bilirrubina , dando reacciones de adición que llevan a la ruptura del 
tetrapirrol en mono y dipirroles que son más hidrosolubles y se eliminan por orina. 
 Bil + h n (380 nm) ¾¾® Bil* 
 Bil* + O2 ¾¾® 1O2 
 1O2 + Bil ¾¾® productos no tóxicos 
 
C
M = CH3
V = CH CH2
P= CH2CH2CO2H
V
N
O
N
N
O
NH
P
M
M
V
H
H
P
M
M
H
N OO
M
H
P
N
N
O
O
P
M
M
V
H
HCH3O
N
N
O
O
V
P
M
M
V
H
H CH3O
+ +
h n / O2 
7 % 
31 % 37 % 
 22 
6. QUÍMICA DEL OXÍGENO SINGULETE 
 
El oxígeno singulete es la especie excitada del oxígeno molecular cuya estructura electrónica se 
describe a continuación. El oxígeno tiene la particularidad, caso único, de que el estado basal es 
un estado triplete, con dos electrones no apareados y que el estado excitado, altamente reactivo, 
es un singlete con los electrones apareados. El oxígeno singulete puede ser generado 
químicamente mediante la reacción entre el peróxido de hidrógeno y el anión hipoclorito: 
ClO- + H2O2 ¾¾® Cl- + H2O + 1O2 
En sistemas biológicos, el oxígeno singulete es generado por reacciones fotoquímicas, a través de 
la transferencia de energía de excitación de un estado triplete (fotoexcitación), como ha sido 
descripto o por reacciones oscuras (quimioexcitación) que incluyen reacciones colisionales o de 
terminación de pares de radicales libres. 
Los radicales peroxilo (ROO•) normalmente generados en las células aerobias dimerizan en una 
reacción de terminación llamada reacción de Russell que lleva a la formación de oxígeno singulete 
o compuestos conteniendo grupos carbonilos en estado de triplete. 
 ROO• + ROO• ¾¾® RHO (aldehido) + RO (cetona) + 1O2 
 ROH (alcohol) + RO* (cetona) + O2 
Se ha calculado y medido una concentración de oxígeno singulete de 10-14 M (10 aM) en 
hepatocitos de rata. 
El oxígeno singulete, a diferencia del oxígeno molecular (triplete) no presenta restricciones de spin 
y da rápidamente reacciones de adición con todas las dobles ligaduras. 
EL oxígeno singulete como estado excitado decae al estado fundamental con vidas medias de 2 
µseg en agua y 20 µseg en medios no polares. Los fotones emitidos tienen longitudes de onda de 
1286 y 1430 nm dependiendo del estado vibracional (desexcitación monomolecular). 
 1O2 ¾¾® O2 + hn (1286 y 1430 nm) 
Además, el oxígeno singulete presenta la particularidad de generar emisión bimolecular, en la que 
dos moléculas de 1O2 al colisionar, producen un fotón con la energía de excitación de las dos 
moléculas (obsérvese que la longitud de onda dela emisión es la mitad de la longitud de onda de 
la emisión monomolecular). 
 
 1O2 + 1O2 ¾¾® O2 + O2 + hn (643 y 715 nm) 
Se ha detectado una emisión de fotones roja (> 600 nm) en tejidos de mamíferos que es 
interpretada como proveniente de estados estacionarios fisiológicos de oxígeno singulete (1 -10 
aM). 
Físicamente, indistinguible del oxígeno molecular, el oxígeno singulete es capaz de difundir como 
el oxígeno molecular, a través de las membranas biológicas y dar reacciones de adición 
 23 
produciendo daños en moléculas biológicas con dobles enlaces como proteínas, lípidos y ADN. El 
oxígeno singulete ha sido implicado como especie tóxica en procesos patológicos como injuria de 
pulmón, fotosensibilización de la piel y porfiria eritropoyética. 
Existe un interés creciente en el papel de la dieta y la nutrición en la patogénesis y la posible 
prevención del cáncer. Se ha postulado una relación inversa entre la ingesta de b-caroteno y la 
incidencia de ciertos tipos de cáncer, como el cáncer de pulmón y del tracto intestinal. La actividad 
biológica del b-caroteno, la provitamina A, ha sido atribuída a su capacidad de actuar como 
apagador del oxígeno singulete, protegiendo así a los organismos vivos del daño oxidativo. 
 k1 
(a) 1O2 ¾¾® O2 + hn 
 k2 
(b) 1O2 + b-caroteno ¾¾® O2 + b-caroteno* 
 
(c) b-caroteno* ¾¾® b-caroteno + calor 
En presencia de b-caroteno la fracción de moléculas que emite luz es 
S0/S = k1 [1O2] + k2 [1O2] [Q]/ k1 [1O2] = 1 + (k2/k1) [Q] Q = b-caroteno 
donde S0 = quimioluminiscencia en ausencia del atrapador Q 
y S = quimioluminiscencia en presencia del atrapador Q 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 10: Gráfico de Stern-Volmer para el apagamiento de la fotoemisión del oxígeno singulete 
por carotenoides. 
 
De la pendiente del diagrama de Stern-Volmer puede calcularse la constante de apagamiento 
(quenching) k2, que para el caso del b-caroteno resulta ser de 14 x 109 M-1.s-1, en el límite de 
Smoluchowski para reacciones controladas por difusión. 
 
So/S 
Luteína 
b-caroteno 
Licopeno 
Molaridad (µM) 
 24 
7. QUIMIOLUMINISCENCIA Y BIOLUMINISCENCIA 
 
Quimioluminiscencia: La quimioluminiscencia es la emisión de luz como consecuencia de una 
reacción química a temperatura ambiente. Se entiende que la reacción química ocurre sin 
elevación de la temperatura, a diferencia de los casos de combustiones y explosiones donde la 
emisión de luz ocurre de estados excitados generados por la alta temperatura ( > 800 K). Durante 
el transcurso de una reacción quimioluminiscente, se forman uno o más intermediarios en estados 
electrónicamente excitados, de forma tal que éstos emiten fotones al desexcitarse. 
Dada la sensibilidad de los fotomultiplicadores, que permiten medir con certeza y reproducibilidad 
emisiones de 105-106 fotones/seg y la ley de equivalencia fotoquímica , la quimioluminiscencia 
permite medir reacciones con generación de productos a una velocidad de 10-17-10-18 moles/seg. 
Esta característica se utiliza en métodos analíticos. Una de las reacciones quimioluminiscentes 
más usadas es la oxidación de luminol (5-amino-2,3-dihidro-1,4-pftalalazinadiona). Cuando el 
luminol se trata con peróxido de hidrógeno y ferrocianuro de potasio, se produce una luz azul. El 
mecanismo es el siguiente: 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Estudios espectroscópicos muestran que la especie responsables de la emisión de luz es el 3-
aminoftalato, electrónicamente excitada. La transición ocurre desde el primer estado excitado de 
singulete al estado fundamental. La reacción es utilizada para detectar hierro y otros metales y, 
previo acoplamiento del luminol a anticuerpos monoclonales específicos, para detectar con 
exquisita sensibilidad moléculas con las que reaccionan los anticuerpos específicos. 
La reacción de generación de 1O2 (quimioluminiscente) a partir de citocromo c e hidroperóxidos se 
usa para cuantificar a estos compuestos en un ensayo de HPLC a través de detectores de 
fotoemisión. 
* 
O 
O 
O 
O NH 2 
C 
C 
N 
N 
H 
H 
NH 2 
CO 2 - 
CO 2 - 
NH 2 
CO 2 - 
CO 2 - 
NH 2 
C 
C N 
N 
+ N 2 + h n 
2 OH - O 2 
 25 
 
Ejercicio 
La oxidación del luminol se utiliza para la determinación cuantitativa de H2O2: 
 
a) Calcule el DH asociado al reacomodamiento de enlaces en la transformación del luminol a 
aminoftalato. 
b) Considerando que la energía emitida en forma de un fotón puede aproximarse al DH obtenido, 
calcule la longitud de onda del mismo. 
Enlaces que se rompen: Enlaces que se forman: 
1 N-H 391 kJ/mol 2 C-O 2 x 351 kJ/mol 
2 C-N 2 x 292 kJ/mol 
Total 975 kJ/mol 702 kJ/mol 
 
DH = 975 kJ/mol - 702 kJ/mol = 273 kJ/mol 
Utilizando E = h n, se obtiene que l = 438 nm 
 
 
 
Bioluminiscencia: El término bioluminiscencia se utiliza para designar la producción de luz por 
organismos vivos. Las reacciones bioluminiscentes generalmente involucran reacciones de 
oxidación con oxígeno molecular, catalizadas enzimáticamente. Un gran número de organismos, 
como bacterias, hongos, corales, almejas e insectos, han desarrollado la capacidad de emitir luz. 
El caso más conocido es el de las luciérnagas. La reacción química de la bioluminiscencia de las 
luciérnagas involucra luciferina, ATP, oxígeno y la enzima luciferasa. El primer paso es la 
formación de luciferil adenilato (Figura 11). 
 
 
 
luminol 
* 
NH2
CO2-
CO2-
NH2
CO2-
CO2-
O
O
N2 + h n
NH2
C
C
N
N
H
- + 2 H2O2 +
OH-
++ 3 H2O
catalizador
Anión aminoftalato 
 26 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 11: Formación de adenilato de luciferilo en el mecanismo de bioluminiscencia. 
 
En presencia de oxígeno molecular, el adenilato de luciferilo produce bioluminiscencia; siendo aún 
desconocida la especie responsable de la emisión. Las luciérnagas emiten luz de distintas 
longitudes de onda y con frecuencias (1 destello cada 2 a 15 seg) características de cada especie 
con propósito de señalización y aparentemente de apareamiento sexual. 
 
8. APLICACIONES DE LA FOTOQUÍMICA A LA BIOLOGÍA. LA FOTOBIOQUÍMICA. 
 
La luz es un factor de nuestro ambiente que tiene aspectos benéficos y potencialmente nocivos. 
Los procesos de fotosíntesis son esenciales para la supervivencia de la vida como la entendemos 
en la Tierra, ya que éstos utilizan la energía solar para formar en las plantas las sustancias que 
constituyen el alimento de una serie de especies heterótrofas. Nuestros ojos emplean rodopsina 
para convertir los estímulos luminosos en señales nerviosas para el cerebro, posibilitando la 
visión. La irradiación solar de la atmósfera superior produce reacciones fotoquímicas que resultan 
en una compleja distribución de compuestos de oxígeno, nitrógeno e hidrógeno. Una 
consecuencia es la pantalla de ozono, la cual filtra la radiación ultravioleta biológicamente nociva 
(UV-B, 290-320 nm). La radiación UV de la luz solar proporciona la energía radiante para convertir 
los esteroles de los tejidos animales y vegetales en vitamina D biológicamente activa. 
La razón para preocuparnos por la luz UV es que constituye una radiación de alta energía, capaz 
de inducir mutaciones y otros daños biológicos en microorganismos y en organismos superiores 
como plantas y animales. Además se sabe que una prolongada exposición a la luz solar rica en 
radiación UV-A y UV-B conduce a una aumento en la incidencia del cáncer de piel. Las lámparas 
germicidas ultravioletas son letales para los microorganismos y se usan para esterilizar alimentos, 
drogas, sueros y salas de cirugía. Lámparas fluorescentes se usan terapéuticamente para tratar 
niños que sufren de hiperbilirrubinemia, una enfermedad que se caracteriza por un mal 
S 
N 
S 
N 
HO 
H 
H 
H 
COOH 
S 
N 
S 
N 
O 
O 
H 
H 
H 
C O P O ribosa 
adenina 
adenilato de luciferilo 
HO 
OH 
luciferina 
ATPMg 2+ 
luciferasa 
 27 
funcionamiento de los procesos de eliminación del hemo. A continuación se explican algunos 
ejemplos de la amplia variedad de papeles que juega la luz en biología. 
 
8.1. Fotosíntesis 
El proceso de fotosíntesis en las plantas, algas y bacterias comprende la incorporación de 
carbono en varios compuestos tales como carbohidratos, proteínas, lípidos, ácidos nucleicos y 
otros, que constituyen la sustancia material y la esencia funcional de los organismos. La fuente 
principal de carbono para las plantas y la mayoría de las algas es el dióxido de carbono. La 
reacción representativa para el proceso de fotosíntesis es: 
 
CO2 + H2O ¾¾® (CH2O) + O2 
 
en que (CH2O) representa el carbono fijo de los carbohidratos, el mayor producto metabólico. Esta 
reacción es endotérmica en cerca de +485 kJ/mol CO2 y la energía requerida para impulsar ésta y 
las otras reacciones biosintéticas proviene en última instancia de la luz solar. 
El proceso integral de la fotosíntesis se puede dividir en etapa de iluminación (reacciones 
luminosas) y etapa de oscuridad (reacciones oscuras). La luz absorbida por los pigmentos de la 
clorofila sirve para disociar el agua en oxígeno molecular y átomos equivalentes de hidrógeno. Los 
últimos son transferidos como electrones e iones hidrógeno a lo largo de una cadena de 
transporte de citocromos, quinonas y proteínas que contienen hierro, manganeso y cobre hasta 
nicotinamida adenina dinucleótido fosfato (NADP+), el cual se reduce. Durante este proceso, una 
porción de la energía es almacenada como el producto de alta energía ATP: 
 
 hn 
2 H2O + 2 NADP+ ¾¾¾® O2 + 2 NADPH + 2 H+ 
 cloroplastos 
 
2 (ADP + Pi) 2 ATP 
 
El NADPH y el ATP se usan luego en una serie de reacciones enzimáticas en la oscuridad para 
fijar el CO2. 
 
 
 oscuridad 
CO2 + 2 NADPH + 2 ATP + 2 H+ ¾¾¾® (CH2O) + 2 NADP+ + 2 ADP + 2 Pi + H2O 
 enzimas 
 
La suma de estas reacciones es el proceso general presentado arriba. 
Se han hecho detallados y extensos estudios de la cinética de la fotosíntesis en su etapa de 
iluminación; a continuación se resumen algunos de las observaciones más relevantes: 
 28 
1. Las reacciones de la luz suceden en las membranas de los cloroplastos en las plantas 
superiores o dentro de las células de las algas verde-azules o en bacterias fotosintéticas. 
2. La clorofila o la bacterioclorofila son los pigmentos esenciales que absorben la luz, aunque los 
carotenoides y otros pigmentos accesorios pueden transferir a la clorofila la excitación del fotón 
absorbido. 
3. Todas las longitudes de onda desde el ultravioleta cercano hasta el infrarrojo cercano pueden 
ser efectivas. En particular, en las plantas superiores son efectivas longitudes de onda tan 
grandes como 700 nm, y de 1000 nm lo son en bacterias fotosintéticas. 
4. El rendimiento cuántico varía con las condiciones de crecimiento. Bajo óptimos niveles de 
presión de CO2, humedad relativa y nutrientes del suelo, el rendimiento a bajas intensidades de 
luz corresponde a 1 mol de CO2 fijado o de O2 producido por cada 8 o 9 einstein absorbidos. 
Esto representa una eficiencia más alta de la que se espera, por que cada molécula de O2 es 
producida por la remoción de 4 electrones de dos moléculas de agua y se sabe que hay dos 
fotones o reacciones de luz que operan en serie para la transferencia de cada electrón. 
5. La velocidad de la fotosíntesis alcanza un máximo a altas intensidades luminosas y se 
mantiene constante, independiente de la luz a mayores intensidades. Esto sucede cuando una 
de las etapas en la bioquímica de la fijación del carbono se convierte en el limitante de la 
velocidad. 
 
8.2. Química de la visión 
La visión involucra procesos de absorción de energía radiante y transducción de su estimulación 
en impulsos nerviosos. El primer paso del mecanismo básico de la visión es la absorción de 
energía luminosa por un cromóforo (el aldehído de la vitamina A o retinal). En la retina del ojo, 
existen 100 millones de células con forma de bastones y 5 millones de células con forma de 
conos. El retinal está asociado a una proteína llamada opsina. Existen 4 tipos diferentes de 
opsina, uno en los bastones y 3 en los conos. Los complejos retinal-opsina de estos tipos 
celulares diferentes se denominan rodopsina e iodopsina, respectivamente. Los cambios 
fotoquímicos que ocurren luego de la excitación por la luz son básicamente los mismos en 
rodopsina e iodopsina y consisten en una isomerización cis-trans del retinal. En la rodopsina el 
grupo aldehído del 11-cis retinal forma una base de Schiff con el grupo amino del residuo de lisina 
de la opsina. La Figura 12 muestra la estructura de los isómeros 11-cis retinal y todo-trans retinal. 
La luz juega un único y puntual papel en este proceso, que consiste en provocar la isomerización 
del 11-cis retinal a todo-trans retinal. 
 
 29 
 
 
 
 
Figura 12: Isomerización inducida por la luz del 11-cis-retinal unido a opsina por una unión de 
base de Schiff. 
 
El punto importante es que la unión entre el 11-cis retinal y la opsina es altamente 
estereoespecífica, de manera que con la isomerización, el todo trans retinal ya no es capaz de 
unirse a la opsina y se produce la disociación. Varios pasos que involucran cambios 
conformacionales de la opsina, siguen a la disociación, y de alguna manera inducen la 
despolarización axónica que inicia la señal desde las células de la retina al cerebro. 
Existe una diferencia fundamental e interesante entre la acción de la luz en la visión y en la 
fotosíntesis. En la fotosíntesis, la energía de la luz es utilizada para realizar trabajo químico de 
transportar electrones en contra de un gradiente electroquímico y de sintetizar ATP. En la visión 
no hay ninguna evidencia de que la energía del fotón sea almacenada por el proceso fotoquímico 
de la rodopsina; la luz simplemente sirve como para disparar o activar la reacción exergónica de 
generación de un aumento de permeabilidad iónica y una despolarización. La función del fotón es 
superar una barrrera de activación y abrir un canal iónico. 
La etapa primaria en la fotorrespuesta de la rodopsina, tal como está descripto en la Figura 12, 
ocurre con un rendimiento cuántico de 1. La incidencia de unos pocos fotones por segundo es 
suficiente para dar una significativa sensación visual. 
 
8.3. Radiación ultravioleta y ozono atmosférico 
La radiación UV corresponde a la fracción del espectro solar que se extiende desde los 400 nm 
hasta los 180 nm. Originalmente dividida, según su proximidad al espectro visible, en radiación UV 
cercana y lejana, el avance de la fotobiología promovió una nueva clasificación: 
UV-A: 320-400 nm 
UV-B: 290-320 nm 
UV-C: < 290 nm 
N
cisH
+
H
H
R
N
H
+
H H
trans
R
h n 
11-cis-retinal 
(unida a opsina, R) 
Total-trans-retinal 
(unida a opsina, R) 
 30 
Aunque los tres tipos de radiación pueden dañar a los seres vivos, el efecto más perjudicial es el 
causado por la UV-C. Afortunadamente, el ozono atmosférico absorbe totalmente la radiación 
solar UV-C y parcialmente las otras, por lo que recibimos sólo el 10% de la UV-B y el 90% de la 
UV-A. Estas, sumadas, constituyen un 6-8% del total de la radiación solar que llega a la superficie 
terrestre. 
El ozono es un isótopo triatómico del oxígeno (O3), que junto con otros gases integra una capa de 
unos 30 km de espesor en la estratosfera. Se forma por medio de una serie de reacciones 
fotoquímicas, al incidir la radiación UV solar sobre moléculas de oxígeno atmosférico (O2). La 
radiación incidente de longitud de onda inferior a los 240 nm (UV-C) es capaz de escindir la 
molécula de oxígeno en sus dos átomos: 
O2 + hn (l < 240 nm) ¾¾® 2 O• 
Los átomos de O• son fuertemente reactivos y muchos de ellos colisionan con O2 produciendo O3. 
Esta reacción ocurre sólo en presencia de una tercera molécula(M), sea ésta nitrógeno o 
cualquier otra capaz de absorber la energía cinética remanente: 
O• + O2 + M ¾¾® O3 + M 
 
La radiación UV-B también puede escindir la molécula de O3, produciendo su disociación, de 
acuerdo a la siguiente reacción: 
O3 + hn (l < 310 nm) ¾¾® O2 + O• 
Se completa así un ciclo de “ozonogénesis-ozonólisis” como consecuencia del cual toda la 
radiación solar menor de 290 nm y gran parte de la comprendida entre 310 y 290 nm resultan 
absorbidas en la alta atmósfera. 
La disminución global de la capa de ozono durante los últimos años ha sido correlacionada con un 
aumento en la concentración de derivados de clorofluorocarbonos, razón por la cual su utilización 
ha sido prohibida en varios países, incluyendo la Argentina. 
Los clorofluorocarbonos son gases atóxicos, químicamente inertes y por ende sumamente 
estables, distribuidos comercialmente con los nombres de “freones” (aquellos con cloro y flúor) o 
“halones” (los que contienen bromo), cuyo uso ha sido popularizado con el nombre genérico de 
clorofluorocarbonos (CFC). 
Con formulación ligeramente diferente, se emplean en refrigeración, como propelentes de 
aerosoles, extinguidores de incendio, en el moldeado de espumas plásticas, etc. Los CFC 
liberados en la Tierra, son dispersados en la atmósfera, y transportados por las corrientes 
ecuatoriales ascendentes hacia la estratosfera donde tienen lugar las siguiente reacciones: 
Cl3CF + hn (l < 230 nm) ¾¾® Cl2CF + Cl• 
Cl• + O3 ¾¾® ClO + O2 
ClO + O• ¾¾® O2 + Cl• 
 31 
El problema de la destrucción de la capa de ozono resulta agravado en la Antártida, debido a sus 
características climatológicas. Las bajas temperaturas y la dinámica atmosférica antártica originan 
fenómenos ciclónicos en la estratosfera, con vientos que giran a gran velocidad sobre el casquete 
antártico, y encierran la masa gaseosa donde se degrada el ozono, impidiendo el intercambio 
gaseoso con el exterior. 
Con el fin de disminuir el riesgo de degradación del ozono, los propelentes modernos han 
prescindido de halógenos en su formulación. 
 
8.4. Protección de la radiación solar 
La exposición prolongada a la luz solar puede ocasionar en el hombre efectos claramente nocivos: 
quemaduras (eritemas), daño o incluso muerte de células, alteraciones en el ADN, envejecimiento 
de la piel, cáncer cutáneo, etc. Por ello, es muy aconsejable la utilización de medios de protección 
(fotoprotectores) cuyo desarrollo ha sido muy importante en los últimos años , dentro del campo 
de la dermofarmacia. 
Los preparados farmacéuticos conocidos como filtros solares buscan mantener los efectos 
beneficiosos de la radiación solar, disminuyendo el riesgo de sus consecuencias nocivas, al 
reducir la intensidad de radiación UV que llega a la piel. La mayor parte de los filtros solares se 
diseñaron en principio para proteger de la radiación UV-B, puesto que sus efectos perjudiciales 
inmediatos son mayores que los de la radiación UV-A, ya que son responsables de la mayor parte 
de los eritemas. En cuanto a los efectos mutagénicos y carcinogénicos parece que también puede 
ser importante el efecto a largo plazo de la radiación UV-A que, aunque de menor energía que la 
UV-B, penetra más profundamente en la piel, llegando hasta la dermis e incluso a capas 
inferiores. Por ello, se consigue una protección más segura con los llamados preparados 
antisolares de amplio espectro que actúan tanto contra la radiación UV-B como contra la UV-A. 
De estos filtros, algunos actúan por reflexión de la radiación incidente, como los preparados a 
base de óxido de zinc, óxido de titanio, mica, etc., mientras que la mayor parte actúa por 
absorción: derivados de ácido cinámico, ácido salicílico, ácido gálico, benzimidazol, cumarina, 
para radiación UV-B y derivados de benzofenonas o dibenzoilmetano, para radiación UV-A. 
 
9. LÁSERES 
 
9.1. Principios generales de la acción láser 
Un láser es un haz de luz colimado, monocromático y coherente. La palabra láser es un acrónimo 
formado por “light amplification by stimulated emission of radiation” (amplificación de luz por 
emisión estimulada de radiación). En la emisión estimulada, se estimula un estado excitado para 
que emita un fotón mediante radiación de la misma frecuencia. La característica esencial de la 
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acción láser es la retroalimentación positiva: cuantos más fotones existan de la frecuencia 
apropiada, más se estimulará la formación de fotones de esta frecuencia. 
Existen cuatro procesos básicos en la generación del láser: a) bombeo, b) emisión espontánea de 
radiación, c) emisión estimulada de radiación y d) absorción. 
 
a) Bombeo: Se provoca mediante una fuente de radiación (una lámpara) o el paso de 
corriente eléctrica que provoca la excitación de la especie activa, es decir parte de sus 
electrones pasan del estado fundamental (de baja energía) a distintos estados de energía 
más elevados. Estos electrones estarán poco tiempo en estos estados y pasarán a un 
estado intermedio metaestable en donde permanecen un tiempo relativamente largo (del 
orden de los milisegundos). 
b) Emisión espontánea de radiación: Los electrones que vuelven al estado fundamental 
emiten un fotón. Es un proceso aleatorio y la radiación tendrá distintas direcciones y fases, 
por lo que se genera una radiación monocromática incoherente. 
c) Emisión estimulada de radiación: es la base de la generación de radiación de un láser. Se 
produce cuando un átomo en estado excitado recibe un estímulo externo que lo lleva a 
emitir fotones y así retornar a un estado menos excitado. El estímulo en cuestión consiste 
en la llegada de un fotón con energía similar a la diferencia entre la energía de los dos 
estados. Los fotones así emitidos por el átomo estimulado poseen fase, energía y 
dirección similares a las del fotón externo que les dio origen. La emisión estimulada 
descripta consiste en un haz de luz coherente y monocromática y además amplifica la 
emisión de luz, ya que por cada fotón que incide sobre un átomo excitado, se genera otro 
fotón. 
Para que se produzca esta emisión estimulada se necesita la existencia de un estado 
excitado metaestable y que este estado esté más poblado que el estado inferior en el que 
termina la radiación. Será necesario entonces conseguir una inversión de poblaciones de 
forma que existan más moléculas en el estado superior que en el inferior. 
La molécula es excitada hasta un estado intermedio, que a su vez cede parte de su 
energía de forma no radiativa y pasa a un estado inferior metaestable; la transición láser es 
el retorno desde el estado metaestable hasta el estado fundamental. Puesto que en total 
están implicado tres niveles de energía, esta disposición conduce al llamado láser de 3 
niveles. 
 
 
 
 
 
 33 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 13: Niveles de energía e inversión de población en el láser de rubí. 
 
d) Absorción: proceso mediante el cual se absorbe un fotón, pasando un electrón al estado 
metaestable. Este fenómeno compite con el de la emisión estimulada de radiación. 
 
9.2. La cavidad láser 
El medio del láser se confina en una cavidad en la que se asegura que sólo se generarán en 
forma abundante fotones con una frecuencia, dirección de trayectoria y polarización determinadas. 
En esencia, la cavidad es una región entre dos espejos, que reflejan la luz de uno a otro. El 
propósito de los espejos es proveer la retroalimentación positiva. Esto significa que parte de la luz 
que emerge del medio amplificante es reflejado nuevamente hacia él para una posterior 
amplificación. El rayo dentro de la cavidad sufre múltiples reflexiones entre los espejos y es 
amplificado cada vez que pasa a través del medio amplificante. 
La cavidad láser posee varias funciones importantes. La cavidad asegura la pureza espectral del 
rayo láser. Además, la radiación láseres coherente en el sentido que las ondas electromagnéticas 
están todas en fase. Por otra parte, únicamente los fotones que se desplacen paralelamente al eje 
de la cavidad realizarán más de un par de reflexiones y podrán ser amplificados, mientras que los 
restantes simplemente desaparecerán en los alrededores, permitiendo generar un haz con muy 
poca divergencia. 
 
 34 
 
9.3. Tipos de láseres 
a) Láseres de estado sólido: El medio activo está formado por un único cristal o un 
vidrio. Ejemplos: láser de rubí, láser de neodimio. 
b) Láseres de gas: Pueden ser utilizados para generar potencias elevadas ya que se 
pueden enfriar haciendo circular un flujo rápido de gas a través de la cavidad. El 
bombeo se consigue utilizando un gas distinto del gas responsable de la emisión 
láser. Ejemplos: láser de helio-neón, láser de ión argón, láser de ión kriptón, láser de 
dióxido de carbono, láser de nitrógeno. 
c) Láseres químicos: Las reacciones químicas se pueden utilizar para generar 
moléculas con poblaciones invertidas, de no equilibrio. 
d) Láseres de colorante: Poseen amplias características espectrales debido a que el 
solvente ensancha la estructura vibracional de las transiciones en bandas. Es posible 
variar la longitud de onda de forma continua y conseguir acción láser a cualquier 
longitud de onda. Ejemplo: láser de rodamina 6G en metanol. 
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