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¿Qué es la espectroscopía?

Una buena definición del término espectroscopía puede ser “la disciplina de la ciencia que estudia la interacción entre la radiación electromagnética y la materia”. En palabras más llanas es la rama de la ciencia que analiza cual es el comportamiento de nuestras muestras en función de la luz que interacciona con ellas. Esta definición deja fuera dos importantes áreas de la espectroscopia en las que la materia interacciona con las ondas de sonido y con haces de partículas (iones y electrones).

Pero antes de entrar más en detalle sobre la espectroscopia podemos preguntarnos ¿Qué es la luz?. Esta simple pregunta a la que casi todo el mundo se lanzaría a responder con pocas dudas, no es para nada sencilla. Aún hoy no sabemos que es el luz (radiación electromagnética) exactamente, sabemos cual es su comportamiento, la podemos describir a través de un modelo ondulatorio definido por su longitud de onda, frecuencia, amplitud, etc. Sin embargo, este modelo no explica muchos de los fenómenos que observamos de forma experimental en espectroscopia como la absorción y emisión de fotones por parte de la materia. Para poder explicar estos fenómenos, necesitamos incluir un modelo de partículas en el cual la luz se comporta como una corriente de partículas discretas (fotones). Para relacionar ambos modelos, ondulatorio y corpuscular, la energía de un fotón es función de su frecuencia. Ambos modelos son complementarios y proporcionan una explicación racional a los fenómenos observados.

Ondas electromagnéticas:

La naturaleza ondulatoria de la radiación electromagnética se representa como campos eléctricos (propagándose en el eje X) perpendicular a campos magnéticos (eje y), ambos perpendiculares a la dirección de propagación. Para el estudio de la espectroscopia, el campo eléctrico es responsable de la mayoría de los fenómenos de interés, incluyendo la transmisión, reflexión, la refracción y la absorción.

Instrumentos ópticos:

Hay seis tipos principales de métodos espectroscópicos: absorción, fluorescencia, fosforescencia, dispersión, emisión y quimioluminiscencia. Los instrumentos de medida de todos ellos difieren poco en cuanto a sus componentes; además, aunque muchos de estos instrumentos utilizan regiones del espectro no perceptibles por el ojo humano, ultravioleta (UV) e infrarrojo (IR), a todos ellos se les domina instrumentos ópticos.

Este tipo de instrumentos tiene cinco partes fundamentales, 1) fuente de luz estable, 2) recipiente transparente para aloja la muestra, 3) sistema para aislar la región espectral de interés, 4) detector que transforma la luz en una corriente eléctrica y 5) unidad de procesamiento y muestra de resultados. En la espectroscopía de emisión y quimioluminiscencia la propia muestra es la fuente de emisión. Además, en emisión, el contendor de la muestra es un plasma, una chispa o una llama que produce la emisión característica de el/los elementos de la muestra.

Partes de un espectrofotómetro:

Un espectrofotómetro se encarga de recoger y analizar la luz tras interaccionar con la muestra. Su resultado final es un espectro que relaciona la intensidad a cada longitud de onda. Los espectrofotómetros comparten una serie de componentes esenciales, 1) rendija de entrada, 2) espejo o lente para focalizar la radiación sobre el elemento dispersor, 3) prisma o red de difracción, 4) elemento de enfoque, 5) detector.

En los espectrómetros compactos, sin partes móviles, la luz se dirige al espectrómetro a través de una fibra óptica, entra por una rendija de tamaño variable (10- 500 micras), la radiación es focalizada sobre la red de difracción con un espejo colimador, se dispersa en sus diferentes longitudes de onda y se proyecta sobre un espejo que permite focalizar la radiación separada en sus diferentes longitudes de onda sobre el detector.

Componentes y partes de un espectrometro compacto Avantes

Un espectrometro compacto de tipo Czerny-Turner tiene una rendija de entrada, un espejo colimador, una red de difracción, un espejo para focalizar y un detector.

 

Principales tipos de técnicas espectroscópicas que utilizan espectrofotómetros:

Espectroscopia de emisión atómica:

A temperatura ambiente los electrones de los átomos que forman la materia se encuentran en su estado electrónico fundamental. La excitación de uno de estos electrones a un estado energético superior por encontrarse sometido a una llama, un plasma (LIBS) o una chispa eléctrica genera un estado de inestabilidad de corta duración (denominado estado excitado) que se evoluciona produciendo la vuelta del electrón del estado excitado a su estado fundamental y por ello emitiendo un fotón a una longitud de onda característica de dicho átomo (de igual energía que el transito electrónico). La medida de dicha emisión puede estudiarse con el uso de un espectrómetro que trabaje en unas longitudes de onda en el UV, visible y una pequeña parte del infrarrojo cercano.

bola de plasma de una estrella

Espectroscopía de absorción atómica:

Si conseguimos tener una muestra atomizada, es decir con sus átomos en estado gaseoso y hacemos pasar una luz (en la región del UV), dicha luz va ser absorbida por los átomos presentes en el estado gaseoso provocando una disminución de la intensidad para las longitudes de onda características de dicho átomo. Esta técnica se utiliza principalmente para el estudio de metales de forma cualitativa y cuantitativa. Es posible relacionar la concentración del metal con la absorción a través de la ley de Lambert-Beer (A=α·l), cuanto mayor sea la concentración del metal en estado gas mayor será la absorción en el espectro.

Espectroscopía UV-VIS:

A diferencia de las técnicas espectroscópicas anteriores, esta técnica estudia la interacción de la luz con moléculas que absorben dicha radiación. La relación entre la absorbancia y la concentración del analíto viene determinada por la lay de Lambert-Beer. En general y aunque pueden ocurrir otros fenómenos, la absorción de la radiación UV o visible ocurre por parte de la excitación de los electrones de enlace, permitiendo conocer el tipo de enlace químico correspondiente a cada banda de absorción electrónica. Este tipo de espectroscopia se usa ampliamente para caracterizar grupos funcionales en moléculas y sobre todo y más importante para la determinación cuantitativa de compuestos que contiene grupos absorbentes y sus transiciones de los electrones n y π al estado excitado π*.

Espectroscopia Infrarroja:

En esta entrada se comentara brevemente la espectroscopia de infrarrojo medio. En la siguiente entrada se explica en detalle las espectroscopia NIR y sus principales aplicaciones. Este tipo de espectroscopía utiliza radiación IR, longitudes de onda superiores a 780 nm. La información obtenido es de tipo estructural ya que la frecuencia de vibraciones de los enlaces de la muestra corresponde con la frecuencia de la radiación emitida. La radiación infrarroja es muy amplia y generalmente se divide en tres regiones respecto a su longitud de onda o más concretamente su numero de onda (inverso de la frecuencia) : Infrarrojo cercano (NIR) va desde los 780 nm (12.800 cm-1) hasta los 2.500 nm (4.000 cm-1 ), infrarrojo medio (MIR) desde los 2.500 hasta los 50.000 nm (200 cm-1) y el infrarrojo lejano (FIR) de 50 μm a 1000 μm (10 cm-1). Sin embargo no todos los enlaces son susceptibles de absorber radiación IR, solo aquellos en los que se produce un cambio en el dipolo de la molécula van a presentar bandas de absorción.

Espectroscopía Raman:

Al igual que la espectroscopia infrarroja, Raman también nos proporciona información estructural de la muestra. En este caso cuando irradiamos la muestra con una fuente de luz potente (láser) una pequeña parte fracción de dicha radiación es dispersada (0.001%) por ciertas moléculas a longitudes de onda diferentes a las de la radiación incidente. Los espectros IR y Raman son similares, pero contienen diferente información, no compiten entre sí sino que son complementarios. La radiación Raman se puede observar en la región del Visible y NIR para las cuales la tecnología proporciona detectores altamente sensibles. A diferencia de la espectroscopía infrarroja, en los espectros Raman vemos enlaces donde se produce un cambio de polarizabilidad.

Sir C. V. Raman

C.V. Raman, descubridor del efecto Raman. (Foto wikipedia)

 

Bibliografía: Modern Spectroscopy (Michael Hollas), Fundamental of analytical Chemistry (Douglas. Skoog).