El efecto doppler

El efecto Doppler establece el cambio de frecuencia de un sonido de acuerdo al movimiento relativo entre la fuente del sonido y el observador. Este movimiento puede ser de la fuente, del observador o de los dos. Diríamos que el efecto Doppler asume la frecuencia de la fuente como una constante pero lo escuchado depende de las velocidades de la fuente y del observador.

Espectrometría

La espectroscopia surgió con el estudio de la interacción entre la radiación y la materia como función de la longitud de onda (λ). En un principio se refería al uso de la luz visible dispersada según su longitud de onda, por ejemplo por un prisma. Más tarde el concepto se amplió enormemente para comprender cualquier medida en función de la longitud de onda o de la frecuencia. Por tanto, la espectroscopia puede referirse a interacciones con partículas de radiación o a una respuesta a un campo alternante o frecuencia variante (ν). Una extensión adicional del alcance de la definición añadió la energía (E) como variable, al establecerse la relación E=hν para los fotones. Un gráfico de la respuesta como función de la longitud de onda (o más comúnmente la frecuencia) se conoce como espectro.

La espectrometría es la técnica espectroscópica para tasar la concentración o la cantidad de especies determinadas. En estos casos, el instrumento que realiza tales medidas es un espectrómetro o espectrógrafo.

La espectrometría a menudo se usa en física y química analítica para la identificación de sustancias mediante el espectro emitido o absorbido por las mismas.

La espectrometría también se usa mucho en astronomía y detección remota. La mayoría de los telescopios grandes tienen espectrómetros, que son usados para medir la composición química y propiedades físicas de los objetos astronómicos, o para medir sus velocidades a partir del efecto Doppler de sus líneas espectrales.

Métodos espectrométricos

Dispersión de luz en un prisma triangular

Según la naturaleza de la excitación medida

El tipo de espectrometría depende de la cantidad física medida. Normalmente, la cantidad que se mide es una intensidad de energía absorbida o producida. Se pueden distinguir estos tipos de espectrometría según la naturaleza de la excitación:

* Electromagnética. Interacciones de la materia con radiación electromagnética como la luz.

* De electrones. Interacciones con haces de electrones. La espectroscopia Auger implica inducir el efecto Auger con un haz de electrones. En este caso la medida implica la energía cinética del electrón como variable.

* De masa. Interacción de especies cargadas con campos magnéticos y/o eléctricos, dando lugar a un espectro de masas. El término "espectroscopia de masas" está anticuado, ya que la técnica es principalmente una forma de medida, aunque produzca realmente un espectro para la observación. Este espectro tiene la masa (m) como variable, pero la medida es esencialmente de la energía cinética de la partícula.

* Acústica. Frecuencia de sonido.

* Dieléctrica. Frecuencia de un campo eléctrico externo.

* Mecánica. Frecuencia de un estrés mecánico externo, por ejemplo una torsión aplicada a un trozo de material.

Según el proceso de medida

La mayoría de los métodos espectroscópicos se diferencian en atómicos o moleculares según si se aplican a átomos o moléculas. Junto con esta diferencia, se pueden distinguir los siguientes tipos de espectrometría según la naturaleza de su interacción:

* De absorción. Usa el rango de los espectros electromagnéticos en los cuales una sustancia absorbe. Incluye la espectrometría de absorción atómica y varias técnicas moleculares, como la espectrometría infrarroja y la resonancia magnética nuclear (RMN).* De emisión. Usa el rango de espectros electromagnéticos en los cuales una sustancia irradia (emite). La sustancia primero debe absorber la energía. Esta energía puede ser de una variedad de fuentes, que determina el nombre de la emisión subsiguiente, como la luminiscencia. Las técnicas de luminiscencia moleculares incluyen la espectrofluorimetría.

* De dispersión. Mide la cantidad de luz que una sustancia dispersa en ciertas longitudes de onda, ángulos de incidencia y ángulos de polarización. El proceso de dispersión es mucho más rápido que el proceso de absorción/emisión. Una de las aplicaciones más útiles es la espectroscopia Raman.

Tipos de espectrometría

ESPECTROMETRÍA DE ABSORCIÓN

La espectrometría de absorción es una técnica en la cual la energía de un haz de luz se mide antes y después de la interacción con una muestra. Cuando se realiza con láser de diodo ajustable, se la conoce como espectroscopia de absorción con láser de diodo ajustable. También se combina a menudo con una técnica de modulación, como la espectrometría de modulación de longitud de onda, y de vez en cuando con la espectrometría de modulación de frecuencia a fin de reducir el ruido en el sistema.

ESPECTROMETRÍA DE FLUORESCENCIA

La espectrometría de fluorescencia usa fotones de energía más elevada para excitar una muestra, que emitirá entonces fotones de inferior energía. Esta técnica se ha hecho popular en aplicaciones bioquímicas y médicas, y puede ser usada con microscopía confocal, transferencia de energía entre partículas fluorescentes, y visualización de la vida media de fluorescencia.

ESPECTROMETRÍA DE RAYOS X

Cuando los rayos X con suficiente frecuencia (energía) interaccionan con una sustancia, los electrones de las capas interiores del átomo se excitan a orbitales vacíos externos, o bien son eliminados completamente, ionizándose el átomo. El "agujero" de la capa interior se llena entonces con electrones de los orbitales externos. La energía disponible en este proceso de excitación se emite como radiación (fluorescencia) o quitará otros electrones menos enlazados del átomo (efecto Auger). La absorción o frecuencias de emisión (energías) son características de cada átomo específico. Además, para un átomo específico se producen pequeñas variaciones de frecuencia (energía) que son características del enlace químico. Con un aparato apropiado pueden medirse estas frecuencias de rayos X características o energías de electrones Auger. La absorción de rayos X y la espectroscopia de emisión se usan en química y ciencias de los materiales para determinar la composición elemental y el enlace químico.

La cristalografía de rayos X es un proceso de dispersión. Los materiales cristalinos dispersan rayos X en ángulos bien definidos. Si la longitud de onda de los rayos X

incidentes es conocida, se pueden calcular las distancias entre planos de átomos dentro del cristal. Las intensidades de los rayos X dispersados dan información sobre las posiciones atómicas y permiten calcular la organización de los átomos dentro de la estructura cristalina.

ESPECTROMETRÍA DE LLAMA

Las muestras de solución líquidas son aspiradas en un quemador o una combinación de nebulizador/quemador, desolvatadas, atomizadas, y a veces excitadas a un estado electrónico de energía más alta. El uso de una llama durante el análisis requiere combustible y oxidante, típicamente en forma de gases. Los gases combustibles comunes que se usan son el acetileno (etino) o el hidrógeno. Los gases de oxidante suelen ser el oxígeno, el aire, o el óxido nitroso. Estos métodos son a menudo capaces de analizar elementos metálicos en partes por millón, billones, o posiblemente rangos más bajos de concentración. Son necesarios detectores de luz para detectar la luz con información que viene de la llama.

* Espectrometría de emisión atómica. Este método usa la excitación de la llama; los átomos son excitados por el calor de la llama para emitir luz. Este método suele usar un quemador de consumo total con una salida de incineración redonda. Se utiliza una llama de temperatura más alta que la usada en la espectrometría de absorción atómica para producir la excitación de átomos de analito. Ya que los átomos de analito están excitados por el calor de la llama, no es necesaria ninguna lámpara elemental especial. Puede usarse un policromador de alta resolución para producir una intensidad de emisión contra el espectro de longitud de onda por encima de un rango de longitudes de onda que muestran líneas de excitación de elementos múltiples. O bien puede usarse un monocromador en una longitud de onda determinada para concentrarse en el análisis de un solo elemento en una cierta línea de emisión. La espectrometría de emisión de plasma es una versión más moderna de este método.

* Espectrometría de absorción atómica (a menudo llamada AA). Este método usa un nebulizador pre-quemador (o cámara de nebulización) para crear una niebla de la muestra, y un quemador en forma de ranura que da una llama de longitud de ruta más larga. La temperatura de la llama es lo bastante baja como para no excitar los átomos de la muestra de su estado basal. El nebulizador y la llama se usan para desolvatar y atomizar la muestra, pero la excitación de los átomos de analito se realiza mediante lámparas que brillan a través de la llama en varias longitudes de onda para cada tipo de analito. En la absorción atómica, la cantidad de luz absorbida después de pasar por la llama determina la cantidad de analito en la muestra. Suele usarse un horno de grafito para calentar, desolvatar y atomizar la muestra con el fin de obtener una mayor sensibilidad. El método del horno de grafito también puede analizar algún sólido o muestras mezcladas. A causa de su buena sensibilidad y selectividad, es un método

que todavía se usa para el análisis de ciertos microelementos en muestras acuosas (y otros líquidos).

* Espectrometría de fluorescencia atómica. Este método usa un quemador con una salida de incineración redonda. La llama se usa para solvatar y atomizar la muestra, y una lámpara emite luz a una longitud de onda específica en la llama para excitar los átomos de analito. Los átomos de ciertos elementos pueden entonces fluorescer, emitiendo luz en diferentes direcciones. La intensidad de esta luz fluorescente sirve para cuantificar la cantidad del elemento analizado en la muestra. También puede usarse un horno de grafito para la espectrometría de fluorescencia atómica. Este método no es tan común como el de absorción atómica o el de emisión de plasma.

ESPECTROMETRÍA DE EMISIÓN DE PLASMA

Es similar a la emisión atómica por llama, y la ha sustituido en gran parte.

* Espectrometría de plasma de corriente contínua (DCP). Un plasma de corriente contínua se crea por una descarga eléctrica entre dos electrodos. Es necesario un gas de apoyo al plasma, y el más común es el argón. Las muestras pueden ser depositadas en uno de los electrodos.

* Espectrometría de emisión óptica por descarga luminiscente (GD-OES)

* Espectrometría de emisión plasma-atómica acoplada inductivamente (ICP-AES)

* Espectrometría de ruptura inducida por láser (LIBS), también llamada espectrometría de plasma inducida por láser (LABIOS)

* Espectrometría de plasma inducida por microondas(MIP)

ESPECTROMETRÍA DE CHISPA O ARCO

Se usa para el análisis de elementos metálicos en muestras sólidas. Para materiales no conductores, se usa polvo de grafito para hacer conductora la muestra. En los métodos de espectroscopia de arco tradicionales se usa una muestra sólida que es destruida durante el análisis. Un arco eléctrico o chispa se pasan por la muestra, calentándola a alta temperatura para excitar los átomos. Los átomos de analito excitado emiten luz en varias longitudes de onda que pueden ser detectadas mediante métodos espectroscópicos comunes. Ya que las condiciones que producen la emisión por arco no son controladas cuantitativamente, el análisis de los elementos es cualitativo. Hoy día, las fuentes de chispa con descargas controladas bajo una atmósfera de argón permiten

que este método pueda ser considerado eminentemente cuantitativo, y su uso está muy extendido en los laboratorios de control de producción de fundiciones y acerías.

ESPECTROMETRÍA VISIBLE

Muchos átomos emiten o absorben la luz visible. A fin de obtener un espectro lineal fino, los átomos deben estar en fase gaseosa. Esto significa que la sustancia tiene que ser vaporizada. El espectro se estudia en absorción o emisión. La espectroscopia de absorción visible a menudo se combina con la de absorción ultravioleta (espectroscopia UV/Vis). Aunque esta forma pueda ser poco común al ser el ojo humano un indicador similar, todavía se muestra útil para distinguir colores.

ESPECTROMETRÍA ULTRAVIOLETA

Todos los átomos absorben en la región ultravioleta (UV) ya que estos fotones son bastante energéticos para excitar a los electrones externos. Si la frecuencia es lo bastante alta, se produce la fotoionización. La espectrometría UV también se usa para la cuantificación de proteínas y concentración de ADN, así como para la proporción de proteínas y ADN en una solución. En las proteínas se encuentran generalmente varios aminoácidos, como el triptófano, que absorben la luz en el rando de 280nm. El ADN absorbe la luz en el rango de 260nm. Por esta razón, la proporción de absorbancia 260/280nm es un buen indicador general de la pureza relativa de una solución en términos de estas dos macromoléculas. También pueden hacerse estimaciones razonables de la concentración de ADN o proteínas aplicando la ley de Beer.

ESPECTROMETRÍA INFRARROJA

La espectrometría infrarroja ofrece la posibilidad de medir tipos diferentes de vibraciones en los enlaces atómicos a frecuencias diferentes. En química orgánica, el análisis de los espectros de absorción infrarroja indica qué tipo de enlaces están presentes en la muestra.

ESPECTROMETRÍA RAMAN

La espectrometría Raman usa la dispersión inelástica de la luz para analizar modos vibracionales y rotatorios de las moléculas. Las "huellas digitales" que resultan son una ayuda para el análisis.

ESPECTROMETRÍA DE RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR (RMN)

La espectrometría de resonancia magnética nuclear analiza las propiedades magnéticas de ciertos núcleos atómicos para determinar diferentes ambientes locales

electrónicos del hidrógeno, carbono, u otros átomos en un compuesto orgánico u otro compuesto. Se usa para determinar la estructura del compuesto.

ESPECTROMETRÍA DE FOTOEMISIÓN

La fotoemisión puede referirse a: * Emisión de electrones a partir de la materia después de la absorción de fotones energéticos (efecto fotoeléctrico).* Emisión de fotones a partir de los semiconductores y metales cuando los electrones que fluyen en el material pierden energía mediante deceleración o recombinación.

ESPECTROMETRÍA MÖSSBAUER

La espectrometría de transmisión o conversión electrónica (CEMS) de Mössbauer prueba las propiedades de los núcleos de isótopos específicos en ambientes atómicos diferentes, analizando la absorción resonante de rayos gamma de energía característica, lo que se conoce como efecto de Mössbauer.

OTROS TIPOS DE ESPECTROMETRÍA

* Fotoacústica. Mide las ondas sonoras producidas por la absorción de radiación.* Fototermal. Mide el calor desarrollado por la absorción de radiación.* De dicroismo circular.* De actividad óptica Raman. Usa los efectos de la actividad óptica y la dispersión para revelar información detallada sobre los centros quirales de las moléculas.* De terahertzios. Usa longitudes de onda por encima de la espectrometría infrarroja y por debajo de las microondas o medidas de onda milimétricas.* De dispersión inelástica de neutrones, como la espectroscopia Raman pero con neutrones en vez de fotones.* De túnel de electrones inelásticos. Usa los cambios de corriente debidos a la interacción de vibraciones electrónicas inelásticas a energías específicas que también pueden medir transiciones ópticamente prohibidas.* Auger. Se usa para estudiar superficies de materiales a microescala. A menudo se usa en relación con la microscopía de electrones.* De cavidad en anillo.* De transformación de Fourier. La transformación Fourier es un método eficiente para tratar datos de espectros obtenidos usando interferómetros. Casi toda la espectrometría infrarroja (FTIR) y la resonancia magnética nuclear (RMN) se realizan con la transformación de Fourier.* De tiempo resuelto. Se usa en situaciones donde las propiedades cambian con el tiempo.* Mecánica. Implica interacciones con vibraciones macroscópicas, como los fotones. Un ejemplo es la espectrometría acústica, que implica ondas sonoras.

* De fuerza. Usa una técnica analítica basada en AFM.* Dieléctrica.* Infrarroja termal. Mide la radiación termal emitida por materiales y superficies, y se usa para determinar el tipo de enlaces presentes en una muestra, así como su ambiente reticular. Estas técnicas son muy usadas por los químicos orgánicos, mineralogistas y geólogos.

Espectrómetros

Un espectrómetro (también llamado espectroscopio o espectrógrafo) es un instrumento óptico que se usa para medir las propiedades de la luz sobre una porción específica del espectro electromagnético. Su utilidad es realizar análisis espectroscópicos para identificar materiales. La variable medida es generalmente la intensidad de la luz, pero también podría ser, por ejemplo, el estado de polarización. La variable independiente es, por lo general, la longitud de onda de la luz, que suele expresarse como una fracción de metro, aunque a veces se expresa como una unidad directamente proporcional a la energía del fotón, tales como el número de onda o los voltios de los electrones (que tiene una relación recíproca a la longitud de onda).

Un espectrómetro se usa en espectroscopia para producir líneas espectrales y medir sus longitudes de onda e intensidades. Son instrumentos que funcionan en una amplia variedad de longitudes de onda, desde rayos gamma y rayos X hasta el infrarrojo lejano. Si la región de interés está restringida a un rango cercano al espectro visible, el estudio se llama espectrofotometría.

En general, cada espectrómetro funcionará sobre una pequeña porción de este rango total debido a las diferentes técnicas usadas para medir las distintas porciones del espectro. Por debajo de las frecuencias ópticas (es decir, en el rango de las microondas

Espectrómetro

y radiofrecuencias), el analizador de espectro es un dispositivo electrónico estrechamente relacionado.

Espectroscopios

Los espectroscopios se usan a menudo en astronomía y en algunas ramas de la química. Los primeros aparatos de este tipo eran simplemente un prisma con graduaciones que marcaban las longitudes de onda de la luz. Los espectroscopios modernos, como los monocromadores, generalmente usan una rejilla de difracción, una hendidura móvil y una especie de fotodetector, además de estar automatizados y controlados por un ordenador. El espectroscopio fue inventado por Gustav Robert Georg Kirchhoff y por Robert Wilhelm Bunsen.

Cuando un material se calienta hasta la incandescencia emite una luz que es característica de la composición atómica del material. Las frecuencias de luz particulares dan lugar a bandas bruscamente definidas en la escala, que son similares a huellas digitales. Por ejemplo, el elemento sodio tiene una doble banda amarilla muy característica, conocida como líneas D del sodio a 588.9950 y 589.5924 nanómetros, cuyo color será familiar a quien haya visto una lámpara de vapor de sodio de baja presión.

Comparación de diferentes espectrómetros

basados en la difracción: reflexiónóptica, refracción óptica y fibra óptica.

En el diseño del espectroscopio original, a principios del siglo XIX, la luz entraba en una hendidura y una lente colimadora transformaba la luz en un haz delgado de rayos paralelos. La luz pasaba entonces por un prisma (en espectroscopios portátiles, por lo general un prisma Amici) que refractaba el haz de luz en un espectro, debido a que las diferentes longitudes de onda eran refractadas en cantidades diferentes por la dispersión. Esta imagen se veía entonces a través de un tubo con una escala que se transponía sobre la imagen espectral, permitiendo su medida directa.

Con el desarrollo de la película fotográfica, se creó el espectrógrafo, que era más exacto. Estaba basado en el mismo principio que el espectroscopio, pero tenía una cámara en lugar del tubo de inspección. En años recientes, la cámara ha sido sustituida por circuitos electrónicos construidos alrededor del tubo fotomultiplicador, permitiendo el análisis espectrográfico en tiempo real con mucha más exactitud. En los sistemas espectrográficos también se usan series de fotosensores en lugar de la película.

Tal análisis espectral, o espectroscopia, se ha convertido en un importante instrumento científico para analizar la composición de material desconocido, y para estudiar fenómenos y teorías astronómicas. El espectrómetro mide longitudes de onda.

Espectrógrafos

Un espectrógrafo es un instrumento que transforma una forma de onda de dominio temporal entrante en un espectro de frecuencia, o generalmente en una secuencia de tales espectros. Hay varias clases de máquinas a las que se llama espectrógrafos, según la naturaleza precisa de las ondas. Los primeros espectrógrafos usaban papel fotográfico como detector. La clasificación espectral de estrellas y el descubrimiento de la secuencia principal, la ley de Hubble y la secuencia de Hubble, se hicieron con espectrógrafos que usaban papel fotográfico. El pigmento vegetal fitocromo fue descubierto con un espectrógrafo que usaba plantas vivas como detectores. Los espectrógrafos más recientes usan detectores electrónicos, como cámaras CCDs que pueden usarse tanto para luz visible como para luz ultravioleta. La elección exacta del detector depende de las longitudes de onda de la luz que va a ser registrada.

Esquema de un espectrómetro de rejilla

El próximo Telescopio Espacial de James Webb contendrá un espectrógrafo cercano al infrarrojo (NIRSpec) y un espectrómetro en mitad del infrarrojo (MIRI).

Un espectrógrafo de escala usa dos rejillas de difracción, giradas 90 grados una respecto a la otra y colocadas cerca. Por lo tanto, se usa un punto de entrada y no una hendidura, mientras que un segundo chip CCD registra el espectro. Con este pequeño chip se consigue un espectro muy fino, y tiene como ventaja que la óptica colimadora no tiene que ser optimizada para coma o astigmatismo, ya que la aberración esférica puede ser establecida a cero.

A veces al espectrógrafo se le llama policromador, como analogía de monocromador

Espectrometría de emisión

La espectrometría de emisión es una técnica espectroscópica que analiza las longitudes de onda de los fotones emitidos por los átomos o moléculas durante su transición desde un estado excitado a un estado de inferior energía. Cada elemento emite un conjunto característico de longitudes de onda discretas en función de su estructura electrónica. Mediante la observación de estas longitudes de onda puede determinarse la composición elemental de la muestra. La espectrometría de emisión se desarrolló a finales del siglo 19, y los esfuerzos teóricos para explicar los espectros de emisión atómica condujeron a la mecánica cuántica.

Hay muchas maneras en que los átomos pueden ser llevados a un estado excitado. El método más simple es calentar la muestra a una temperatura alta, produciéndose las excitaciones debido a las colisiones entre átomos de la muestra. Este método se utiliza en la espectrometría de emisión de llama, y fue también el método utilizado por Anders Jonas Ångström cuando descubrió el fenómeno de las líneas de emisión discretas en 1850.

A pesar de que las líneas de emisión están causadas por una transición entre estados energéticos cuantizados, y pueden ser muy agudas a primera vista, tienen una anchura finita; es decir, se componen de más de una longitud de onda de luz. Esta ampliación de la línea espectral tiene muchas causas diferentes.

Las líneas de emisión en los gases calientes fueron descubiertas por Ångström, y la

técnica fue desarrollada por David Alter, Gustav Kirchhoff y Robert Bunsen.

La espectrometría de emisión suele llamarse a menudo espectrometría de emisión óptica, debido a la naturaleza de la luz que se emite.

TÉCNICA EXPERIMENTAL EN LA ESPECTROMETRÍA DE EMISIÓN POR LLAMA

La solución que contiene la sustancia que va a ser analizada se conduce al quemador y se dispersa en la llama como un spray fino. El solvente se evapora en primer lugar, dejando partículas sólidas finamente divididas que se desplazan a la región más caliente de la llama, donde se producen átomos e iones gaseosos. Los electrones son entonces excitados, tal como se describió más arriba. Es común usar un monocromador para permitir una detección fácil.

En un nivel simple, la espectrometría de emisión por llama se puede observar utilizando sólo un mechero Bunsen y muestras de metales. Por ejemplo, el metal sodio colocado en la llama se iluminará de amarillo, el metal calcio de rojo y el cobre creará una llama verde.

Hay cuatro etapas principales durante la espectrometría de emisión por llama:

1. Evaporación: La muestra que contiene partículas metálicas se deshidrata por el calor de la llama, y el disolvente se evapora.

2. Atomización: En esta etapa, los iones metálicos que se encontraban en el disolvente se reducen a átomos de metal. Por ejemplo, Mg2 + (aq) + 2e → Mg (g). Los electrones en los átomos de metal absorben la energía del calor de la llama y pasan a niveles más altos de energía.

3. Excitación: Los electrones en estado basal de los átomos de metal son ahora capaces de absorber la energía del calor de la llama. El cuanto (cantidad) de energía absorbido depende de las fuerzas electrostáticas de atracción entre los electrones con carga negativa y el núcleo de carga positiva. Esto, a su vez, depende del número de protones en el núcleo. Como los electrones absorben energía, se desplazan a niveles más altos de la energía y pasan a estado excitado.

4. Emisión de radiación: Los electrones en estado excitado son muy inestables y se mueven hacia un estado basal con bastante rapidez. Cuando lo hacen, emiten la energía que absorbieron. Para algunos metales, esta radiación corresponde a longitudes de onda de luz en la región visible del espectro electromagnético, y se observan como un color característico del metal. Como los electrones de diferentes niveles de energía son capaces de absorber luz, el color de la llama será una mezcla de

todas las diferentes longitudes de onda emitidas por los distintos electrones en el átomo de metal que se investiga.

Espectrometría de absorción atómica

En química analítica, la espectrometría de absorción atómica es una técnica para determinar la concentración de un elemento metálico determinado en una muestra. Puede utilizarse para analizar la concentración de más de 62 metales diferentes en una solución.

Aunque la espectrometría de absorción atómica data del siglo XIX, la forma moderna fue desarrollada en gran medida durante la década de los 50 por un equipo de químicos de Australia, dirigidos por Alan Walsh.

PRINCIPIOS EN LOS QUE SE BASA

La técnica hace uso de la espectrometría de absorción para evaluar la concentración de un analito en una muestra. Se basa en gran medida en la ley de Beer-Lambert.

En resumen, los electrones de los átomos en el atomizador pueden ser promovidos a orbitales más altos por un instante mediante la absorción de una cantidad de energía (es decir, luz de una determinada longitud de onda). Esta cantidad de energía (o longitud de onda) se refiere específicamente a una transición de electrones en un elemento particular, y en general, cada longitud de onda corresponde a un solo elemento.

Como la cantidad de energía que se pone en la llama es conocida, y la cantidad restante en el otro lado (el detector) se puede medir, es posible, a partir de la ley de Beer-Lambert, calcular cuántas de estas transiciones tienen lugar, y así obtener una señal que es proporcional a la concentración del elemento que se mide.

INSTRUMENTOS

Para analizar los constituyentes atómicos de una muestra es necesario atomizarla. La muestra debe ser iluminada por la luz. Finalmente, la luz es transmitida y medida por un detector. Con el fin de reducir el efecto de emisión del atomizador (por ejemplo, la radiación de cuerpo negro) o del ambiente, normalmente se usa un espectrómetro entre el atomizador y el detector.

Tipos de atomizadores

Para atomizar la muestra normalmente se usa una llama, pero también pueden usarse otros atomizadores como el horno de grafito o los plasmas, principalmente los plasmas de acoplamiento inductivo.

Cuando se usa una llama, se dispone de tal modo que pase a lo largo lateralmente (10 cm) y no en profundidad. La altura de la llama sobre la cabeza del quemador se puede controlar mediante un ajuste del flujo de mezcla de combustible. Un haz de luz pasa a través de esta llama en el lado más largo del eje (el eje lateral) e impacta en un detector.

ESPECTRO ULTRAVIOLETA-VISIBLE

Un espectro ultravioleta-visible es esencialmente un gráfico de absorbancia de luz frente a una longitud de onda en el rango del ultravioleta o la luz visible. Este espectro puede ser producido directamente con los espectrofotómetros más sofisticados, o bien pueden registrarse los datos de una sola longitud de onda con los instrumentos más simples. La longitud de onda se representa con el símbolo λ. Del mismo modo, para una determinada sustancia, puede hacerse un gráfico estándar del coeficiente de extinción (ε) frente a la longitud de onda (λ). Este gráfico estándar sería efectivamente "la concentración corregida" y, por tanto, independiente de la concentración. Para una sustancia determinada, la longitud de onda en la cual se produce el máximo de absorbancia en el espectro se llama λ max, y se pronuncia "lambda-max".

Las reglas de Woodward-Fieser son un conjunto de observaciones empíricas que pueden utilizarse para predecir λ max, la longitud de onda de la absorción UV-Vis, para compuestos orgánicos conjugados como dienos y cetonas.

Las longitudes de onda de los picos de absorción pueden correlacionarse con los tipos de enlace en una determinada molécula, y son valiosos para determinar los grupos funcionales dentro de la molécula. La absorción UV-Vis no es, sin embargo, una prueba específica para ningún compuesto determinado. La naturaleza del disolvente, el pH de la solución, la temperatura, la concentración de electrolitos, y la presencia de sustancias interferentes pueden influir en los espectros de absorción de los compuestos, así como las variaciones en la anchura de la hendidura (ancho de banda efectivo) en el espectrofotómetro.

Espectrometría Raman

La espectrometría Raman es una técnica espectroscópica utilizada en física de la

materia condensada y también en química para el estudio de los modos vibracionales, rotacionales y otros de baja frecuencia en un sistema. Se basa en la dispersión inelástica, o dispersión Raman, de la luz monocromática, que por lo general procede de un láser en el rango visible, infrarrojo cercano, o ultravioleta cercano. La luz láser interactúa con fonones u otras excitaciones en el sistema, por lo que la energía de los fotones láser se desplaza hacia arriba o hacia abajo.

Normalmente, la muestra se ilumina con un rayo láser. La luz del punto iluminado se recoge con una lente y se envía a través de un monocromador. Las longitudes de onda cercanas a la línea láser, debidas a la dispersión elástica de Rayleigh, son filtradas, mientras que el resto de la luz recogida se dispersa en un detector.

La dispersión Raman espontánea es generalmente muy débil, y como resultado la principal dificultad de la espectrometría Raman es separar la luz débil dispersada inelásticamente de la luz intensa láser por dispersión de Rayleigh. Históricamente, los espectrómetros Raman utilizaban rejillas de difracción holográfica y múltiples etapas de dispersión para lograr un alto grado de rechazo láser. En el pasado, los detectores de elección para las configuraciones de dispersión Raman eran los fotomultiplicadores, lo que daba lugar a largos tiempos de adquisición. Sin embargo, la instrumentación moderna en casi todo el mundo emplea filtros de muesca o borde para rechazar el láser, así como espectrógrafos y detectores CCD.

Hay diferentes tipos avanzados de espectrometría Raman, como la de superficie potenciada, la polarizada, la estimulada, la de transmisión, la compensada espacialmente y la híper-Raman.

TEORÍA BÁSICA

El efecto Raman se produce cuando la luz incide sobre una molécula e interactúa con la nube de electrones de los átomos de esa molécula. El fotón incidente excita uno de los electrones a un estado virtual. La molécula se excita desde el estado basal a un estado de energía virtual, y se relaja a un estado vibracional excitado, lo que genera la dispersión de Raman Stokes. Si la molécula ya se encontraba en un estado elevado de energía vibracional, la dispersión Raman se llama entonces dispersión Raman anti-Stokes.

Para que la molécula exhiba el efecto Raman es necesario un desplazamiento en la polarizabilidad molecular, o cantidad de deformación de la nube de electrones con respecto a la coordenada vibracional. La cantidad del desplazamiento de polarizabilidad determinará la intensidad de la dispersión Raman, siempre que el desplazamiento Raman sea igual al nivel vibracional que está involucrado.

HISTORIA

Aunque la dispersión inelástica de la luz la predijo Smekal en 1923, no fue hasta 1928 cuando se observó en la práctica. El efecto Raman fue nombrado después de que uno de sus descubridores, el científico indio Sir CV Raman, observara el efecto por medio de la luz del sol (en 1928, junto con KS Krishnan e independientemente de Grigory Landsberg y Leonid Mandelstam). Raman ganó el Premio Nobel de Física en 1930 por este descubrimiento, realizado utilizando la luz del sol, un filtro fotográfico de banda estrecha para crear luz monocromática y un filtro "cruzado" para bloquear esta luz monocromática.

Posteriormente, el arco de mercurio se convirtió en la principal fuente de luz, primero con detección fotográfica y, a continuación, con detección espectrofotométrica. En la actualidad, se utilizan láseres como fuentes de luz.

APLICACIONES

La espectrometría Raman se utiliza comúnmente en química, ya que la información vibracional es muy específica para los enlaces químicos de las moléculas. Por lo tanto, proporciona una huella dactilar de la molécula que puede ser identificada. La región de huella digital de las moléculas orgánicas está en el rango de 500-2000 cm -1. Otra forma de uso de la técnica es el estudio de cambios en las uniones químicas, por ejemplo cuando un sustrato se añade a una enzima.

Los analizadores de gases Raman tienen muchas aplicaciones prácticas. Por ejemplo, se usan en medicina para el seguimiento en tiempo real de las mezclas de gases respiratorios y la anestesia durante la cirugía.

En física del estado sólido, la espectrometría Raman espontánea se utiliza para, entre otras cosas, caracterizar los materiales, medir la temperatura, y encontrar la orientación cristalográfica de una muestra.

Al igual que ocurre con moléculas individuales, un material sólido tiene modos de fonón característicos que pueden ayudar a identificarlo. Además, la espectrometría Raman se puede utilizar para observar otras excitaciones de baja frecuencia en los sólidos, como plasmones, magnones, y excitaciones de brecha en superconductores.

La señal Raman espontánea proporciona información sobre la población de un modo fonón determinado en el rango entre la intensidad Stokes (desplazada hacia abajo) y anti-Stokes (desplazada hacia arriba).

La dispersión Raman mediante un cristal anisotrópico da información sobre la

orientación del cristal. La polarización de la luz de dispersión Raman en relación con el cristal, y la polarización de la luz láser, pueden utilizarse para conocer la orientación del cristal, siempre que la estructura cristalina sea conocida.

Las fibras activas Raman, como la aramida y el carbono, tienen modos vibracionales que muestran un cambio en la frecuencia Raman con estrés aplicado. Las fibras de polipropileno también exhiben cambios similares.

El modo de respiración radial es una técnica de uso habitual para evaluar el diámetro de los nanotubos de carbono.

La espectrometría Raman compensada espacialmente (SORS), que es menos sensible a las capas superficiales que la espectrometría Raman convencional, se puede utilizar para descubrir la falsificación de medicamentos sin necesidad de abrir su embalaje interior, y para monitorización no invasiva de tejido biológico.

La espectrometría Raman se puede utilizar también para investigar la composición química de documentos históricos, como el Libro de Kells, y contribuir al conocimiento de las condiciones sociales y económicas en el momento en que los documentos fueron producidos. Esto es especialmente útil porque la espectrometría Raman es una forma no invasiva que permite preservar este tipo de materiales.

MICROESPECTROMETRÍA RAMAN

La espectrometría Raman ofrece varias ventajas para el análisis microscópico. Dado que se trata de una técnica de dispersión, las muestras no necesitan ser fijadas o seccionadas. Los espectros Raman pueden ser obtenidos a partir de un volumen muy bajo (<1 μm de diámetro); estos espectros permiten la identificación de especies presentes en ese volumen. El agua no interfiere de manera apreciable. Por lo tanto, la espectroscopia Raman es adecuada para el examen microscópico de minerales, materiales como cerámica y polímeros, y células y proteínas. Un microscopio Raman consiste de un microscopio óptico estándar con un láser de excitación, un monocromador y un detector sensible (como un dispositivo de carga acoplada (CCD), o un tubo fotomultiplicador (PMT)).

En visualización directa, todo el campo de visión se examina por dispersión sobre una pequeña gama de números de onda (turnos Raman). Por ejemplo, un número de onda característico para el colesterol podría ser utilizado para registrar la distribución de colesterol en un cultivo celular.

El otro enfoque es la visualización hiperespectral o las imágenes químicas, en las que miles de espectros Raman son adquiridos por todo el campo de visión. Los datos

pueden ser utilizados para generar imágenes que muestran la ubicación y la cantidad de distintos componentes. Tomando el ejemplo del cultivo celular, una imagen hiperespectral podría mostrar la distribución de colesterol, así como de proteínas, ácidos nucleicos y ácidos grasos. Las técnicas sofisticadas de procesamiento de imágenes y señales pueden utilizarse para ignorar la presencia de agua, los medios de cultivo y otros interferentes.

La microscopía Raman y, en particular, la microscopía confocal, disponen de una resolución espacial muy alta. Por ejemplo, las resoluciones laterales y de profundidad son de 250 nm y 1,7 μm, respectivamente, utilizando un microespectrómetro confocal Raman con la línea de 632,8 nm de un láser de He-Ne con una abertura de 100 μm de diámetro.

Dado que las lentes objetivo de los microscopios enfocan el rayo láser a varios micrómetros de diámetro, el resultado del flujo de fotones es mucho mayor que los que se logran en las configuraciones Raman convencionales. Esto tiene el beneficio añadido de una mayor desactivación de la fluorescencia. Sin embargo, el alto flujo de fotones también puede causar la degradación de la muestra, y por esta razón algunas configuraciones requieren un sustrato que conduzca térmicamente (lo que actúa como un disipador de calor) a fin de mitigar este proceso.

Mediante el uso de la microespectrometría Raman, se pueden medir los espectros Raman, resueltos en vivo en el tiempo y el espacio, de regiones microscópicas de la muestra. Como resultado de esto, puede eliminarse la fluorescencia del agua, el medio y los intermediarios. En consecuencia, este tipo de espectrometría es apropiada para examinar proteínas, células y órganos.

Para muestras biológicas y médicas, la microscopía Raman generalmente utiliza láseres de infrarrojo cercano (diodos de 785 nm y 1064 nm). Esto reduce el riesgo de dañar la muestra mediante la aplicación de alta potencia. Sin embargo, la intensidad del Raman en infrarrojo cercano es baja (debido a la dependencia ω -4 de la intensidad de dispersión Raman), y la mayoría de detectores requieren mucho tiempo de registro. En la actualidad se dispone de detectores más sensibles, por lo que esta técnica es apropiada para uso general. La microscopía Raman de muestras inorgánicas, tales como rocas, cerámicas y polímeros, puede utilizar una gama más amplia de longitudes de onda de excitación.