INTRODUCCIÓNA LA ESPECTROSCOPIA

 La espectroscopia o espectroscopía​ es el estudio de la interacción entre la radiación y la materia, con absorción o emisión de energía radiante. Es la cantidad de luz que absorbe, emite o dispersa (refleja) un objeto. La espectroscopia descompone la luz y mide diferentes longitudes de onda de luz visible y no visible. En el campo de la medicina, se usan diferentes tipos de espectroscopia para estudiar los tejidos y ayudar en el diagnóstico.

La espetroscopía se inicio con el arduo problema que ofreció la explicación de la estabilidad atómica que condujo a la formulación de una teoría simple de la  estructura atómica. Esta teoria propuesta por Bohr en 1913 es la explicación del espectro de radiación electromagnetica emitida por ciertos átomos, esta radiación emitida por átomos es la huella digital de los mismos para poderlos identificar.

o sea, el espectro atómico es la huella digital de los elementos atómicos y es así como se pueden identificar los átomos.

La espectroscopia estudia concretamente 6 fenómenos ópticos:

Absorción, Fluorescencia, Fosforescencia, Emisión, Dispersión, Quimioluminiscencia.

El análisis espectral detecta la absorción o emisión de radiación a ciertas longitudes de onda. Y toma en cuenta los niveles de energía implicados en una transición energetica. Para ello, existen tres casos de interacción con la materia:

Choque elástico: es un choque donde no hay pérdida de energía cinética en el sistema de cuerpos durante la interacción. En este caso, además, solo existe un cambio en el impulso de los fotones. Por ejemplo, los rayos X, la difracción de electrones y la difracción de neutrones.

Choque inelástico: en este tipo de choque la energía cinética no se conserva. Sería el caso de la espectroscopia Raman.

Absorción o emisión resonante de fotones.

Existen diferentes técnicas espectroscópicas que utilizan espectrofotómetros. Estas son algunas de las principales:

Espectroscopía INFRARROJA.

En la región infrarroja (IR) del espectro, la radiación de menor energía también puede producir cambios dentro de átomos y moléculas. Este tipo de radiación no suele ser lo suficientemente energética para excitar electrones. No obstante, sí puede provocar que los enlaces químicos entre moléculas vibren de diferentes maneras. Por ejemplo, para excitar un electrón de un átomo particular, la energía necesaria es fija. Y la energía requerida para cambiar la vibración de un enlace particular también lo es.

Para medir un espectro IR la muestra que se debe analizar. Clásicamente, una muestra sólida se muele con bromuro de potasio (KBr) transparente al IR y se compacta en una pastilla, o bien se corta en rodajas finas y se coloca en una ventana de KBr, mientras que los líquidos se miden o diluyen directamente con un disolvente transparente IR, por ejemplo CCl4.

Si una muestra es lo suficientemente delgada (<15 µm), como por ejemplo una película polimérica, un recubrimiento en una superficie metálica o una sección de tejido biológico, puede ser atravesada por suficiente luz IR como para ser analizada directamente sin diluir en KBr o un disolvente.

Otra técnica sería la reflexión. Aquí la luz IR sólo interactúa con la superficie de un material para registrar información química. La espectroscopía de reflectancia difusa (DRIFTS) es una técnica especial de muestreo de reflexión que permite recoger espectros de gran calidad de muestras sólidas que son muy difíciles de analizar por transmisión, como el suelo o el hormigón.

Sin embargo, por ahora, la espectroscopia ATR FT-IR ha superado a muchas otras técnicas de muestreo, ya que en su mayoría es no destructiva, muy fácil de aplicar y adecuada para analizar sólidos y líquidos en su estado normal.

Espectroscopía UV-VIS.

Esta técnica estudia la interacción de la luz con moléculas que absorben dicha radiación. En general, la absorción de la radiación UV o Visible aparece por parte de la excitación de los electrones de enlace. De esta manera, se puede saber el tipo de enlace químico que corresponde a cada banda de absorción electrónica. Este tipo de espectroscopia se utiliza para caracterizar grupos funcionales en molécula. Pero, sobre todo, se usa para la determinación cuantitativa de compuestos que contiene grupos absorbentes.

Cuando una sustancia absorbe el máximo de luz a una determinada longitud de onda, se da una relación única entre la sustancia y su espectro UV-VIS. Esta relación puede servir para:

Análisis cualitativos, es decir, determinar la presencia de ciertas sustancias.

Por ejemplo, la determinación del contenido de DOBI y caroteno en aceites y grasas comestibles, la identificación de contaminación, como el cromo y el hierro en el agua,la identificación de la cianocobalamina y la comprobación de la pureza del ADN/ARN.

Análisis cuantitativos, es decir, determinar las cantidades de ciertas sustancias.

Por ejemplo, la determinación de la concentración de sustancias en el agua, como la DQO o el amoníaco, la determinación de la unidad de amargor de las bebidas alcohólicas, la medición del contenido de azúcar en las bebidas y la cuantificación de las proteínas.

La espectroscopia ultravioleta-visible es un tipo de espectroscopia de absorción en la que se ilumina una muestra con rayos electromagnéticos de varias longitudes de onda en el rango ultravioleta (UV) y visible (VIS). Según la sustancia, la muestra absorbe parcialmente los rayos de luz ultravioleta o visible. El resto de la luz, es decir, la luz transmitida, se registra como una función de la longitud de onda mediante un detector adecuado. El detector produce entonces el espectro UV-VIS único de la muestra (también conocido como el “espectro de absorción”).

Dos tipos de hacer uv-vis  en la izquierda la muestra se coloca entre entre la rejilla y el sensor para hacer mediciones consecutivas de la transmitancia en cada longitud de onda definida, mientras que en la derecha la muestra se ilumina con todos los componentes espectrales por lo que absorbe a la vez todas las longitudes de onda, luego una red de difracción difracta la luz transmitida obteniendo así un espectro UV-VIS más rapidamente a comparacion a un espectrofotometro de barrido como el de la izquierda..

Espectroscopía RAMAN.

El efecto Raman se descubrió en 1928, y su aplicación para espectroscopía ha demostrado ser una técnica muy eficiente para determinar no solo la composición química, sino también la estructura molecular de los compuestos analizados. Así pues, se puede decir que esta técnica permite obtener la "huella dactilar" de las muestras analizadas.

Además de estas capacidades, la espectroscopía Raman es no destructiva, la muestra no necesita preparación y es muy rápida a la hora de obtener resultados.

Al igual que la espectroscopia infrarroja, Raman también proporciona información estructural de la muestra. En este caso, cuando se irradia la muestra con una fuente de luz potente, es decir, un láser, una pequeña parte, fracción de dicha radiación es dispersada por ciertas moléculas a longitudes de onda diferentes a las de la radiación incidente. Los espectros Raman e IR son similares. No obstante, contienen información diferente. Es decir, no compiten entre sí, sino que son complementarios.

Como sebasa en la dispersión inelástica de luz monocromática.Esta dispersión inelástica en cuanto a que la frecuencia de los fotones en la luz monocromática cambia al interactuar con una muestra. Los fotones de la luz son absorbidos por la muestra y luego reemitidos. La frecuencia de estos fotones reemitidos se desplaza hacia arriba o hacia abajo en comparación con la frecuencia monocromática original, lo que se denomina efecto Raman. Este cambio proporciona información sobre las transiciones vibracionales, rotacionales y otras de baja frecuencia en las moléculas.

E ∝ ν ∝ 1/λ

ν = frecuencia, λ = longitud de onda, E= energía

Espectroscopía de ABSORCIÓN ATÓMICA.

Es un método instrumental de la química analítica que permite medir las concentraciones específicas de un material en una mezcla y determinar una gran variedad de elementos. Esta técnica se utiliza para determinar la concentración de un elemento particular (el analito) en una muestra y puede determinar más de 70 elementos diferentes en solución o directamente en muestras sólidas utilizadas en farmacología, biofísica o investigación toxicológica.

Se basa en el fenómeno de absorción de luz. O sea, en la absorción de luz a longitudes de onda muy definidas por parte de átomos vaporizados en estado de reposo. El elemento en estudio, es situado en una llama, donde es disociado de sus enlaces químicos y, por ganancia de electrones, se sitúa en un estado atómico base neutro no excitado ni ionizado. En este estado, el átomo es capaz de absorber la radiación emitida por una fuente consistente en un lámpara de cátodo hueco, constituida del material a estudiar, y que emite el espectro de líneas de éste.

La característica de interés en las medidas de absorción atómica es la cantidad de luz, a la longitud de onda seleccionada, que es absorbida, cuando la luz pasa a través de una nube atómica. Con la ayuda de un monocromador, se selecciona la longitud de onda de interés, y se mida la atenuación de la luz incidente a su paso por la nube atómica. La Ley de Lambert Beer es válida para relacionar la concentración de los átomos en la llama con la absorción de la luz, y de esta manera se puede efectuar una determinación cuantitativa del analito presente, midiendo la cantidad de luz absorbida.

El átomo consiste de un núcleo y de un número determinado de electrones que llenan ciertos niveles cuánticos. La configuración electrónica más estable de un átomo corresponde a la de menor contenido energético conocido como “estado fundamental”.

Si un átomo que se encuentra en un estado fundamental absorbe una determinada energía, éste experimenta una transición hacia un estado particular de mayor energía. Como este estado es inestable, el átomo regresa a su configuración inicial, emitiendo una radiación de una determinada frecuencia.

La frecuencia de la energía radiante emitida corresponde a la diferencia de energía entre el estado excitado (E1) y el estado fundamental (Eo) como se encuentra descrito en la ecuación de Planck:

h = constante de Planck

υ = frecuencia

c = velocidad de luz

λ = longitud de onda

Según la teoría atómica, el átomo puede alcanzar diferentes estados (E1, E2, E3, …) y de cada uno de ellos emitir una radiación (λ1, λ2, λ3, …) característica, obteniéndose así un espectro atómico, caracterizado por presentar un gran número de líneas discretas. En absorción atómica es relevante solamente aquella longitud de onda correspondiente a una transición entre el estado fundamental de un átomo y el primer estado excitado y se conoce como longitud de onda de resonancia.

De la ecuación de Planck, se tiene que un átomo podrá absorber solamente radiación de una longitud de onda (frecuencia) específica. En absorción atómica interesa medir la absorción de esta radiación de resonancia al hacerla pasar a través de una población de átomos libres en estado fundamental. Estos absorberán parte de la radiación en forma proporcional a su concentración atómica.

La relación entre absorción y concentración se encuentra definida en la Ley de Lambert-Beer.

Como la trayectoria de la radiación permanece constante y el coeficiente de absorción es característico para cada elemento, la absorbancia es directamente proporcional a la concentración de las especies absorbentes.

La EAA constituye una de las técnicas más empleadas para la determinación de más de 60 elementos, principalmente en el rango de μg/ml-ng/ml en una gran variedad de muestras. Entre algunas de sus múltiples aplicaciones tenemos el análisis de: aguas, muestras geológicas, muestras orgánicas, metales y aleaciones, petróleo y sus subproductos; y de amplia gama de muestras de industrias químicas y farmacéuticas.

La espectroscopia de absorción atómica con llama es el método más empleado para la determinación de metales en una amplia variedad de matrices. Su popularidad se debe a su especificidad, sensibilidad y facilidad de operación. En este método la solución muestra es directamente aspirada a una llama de flujo laminar. La llama tiene como función generar átomos en su estado fundamental, de los elementos presentes en la solución muestra. Temperaturas cercanas a los 1,500–3,000°C son suficientes para producir la atomización de un gran número de elementos, los que absorberán parte de la radiación proveniente de la fuente luminosa.

       INTERFERENCIAS FÍSICAS.

Este tipo de interferencias está relacionado con la efectividad con que la solución es transportada a la llama y son causadas por diferencias en las propiedades físicas de las soluciones: viscosidad, tensión superficial o presión de vapor.

Un ejemplo de estas interferencias se observa en la determinación de Mg y Cu en presencia de ácido fosfórico. A mayor concentración de H3PO4 la viscosidad de la solución aumenta, disminuyendo la velocidad de aspiración de ella y una fracción menor llega a la llama, produciéndose una absorbancia menor de la muestra.

También la presencia de solventes orgánicos produce este tipo de interferencias debido a un aumento en la eficiencia de la nebulización (menor viscosidad y menor tensión superficial), lo que produce un aumento de la absorbancia.

Una forma de compensar este tipo de interferencia es preparar las soluciones estándar con los mismos componentes de la matriz de la solución problema.

                INTERFERENCIAS QUÍMICAS.

Interferencia química es cualquier alteración en el número total de átomos libres formados por unidad de volumen debido a la formación de compuestos químicos termoestables. Las causas más comunes de éstas son:

Disociación incompleta de la molécula formada o formación de una sal difícil de fundir.

El efecto del fosfato en la determinación de calcio es un ejemplo de este tipo de interferencia. El calcio con el fosfato forman el fosfato de calcio, el cual se transforma en pirofosfato de calcio, que es relativamente estable en una llama aire/acetileno. Así la cantidad de átomos libres de calcio generados en la llama será menor que la obtenida con una solución de calcio de igual concentración, pero sin presencia de fosfato, provocando una disminución de la señal.

Existen otros componentes refractarios que dan también una disminución de la señal de absorción del elemento de interés. Tal es el caso de silicatos, aluminatos y pirosulfatos de calcio, magnesio, estroncio y bario.

Reacción espontánea de los átomos libres con otros átomos o radicales presentes en el medio ambiente.

Esta interferencia es causada por la formación de óxidos e hidróxidos u ocasionalmente carburos o nitruros, debido a la reacción de los átomos libres con los productos de la combustión de la llama. Aproximadamente unos 30 metales no se pueden determinar con llama aire/acetileno (ejemplo: aluminio, silicio, boro, elementos lantánidos, etc.). La magnitud de la interferencia va a depender del tipo de estequiometría de la llama.

Las interferencias químicas pueden ser minimizadas por las siguientes formas:

Empleo de llamas con mayores temperaturas. Como ejemplo tenemos la llama acetileno/óxido nitroso, la que es capaz de descomponer totalmente los compuestos refractarios.

Agregar a la solución muestra un elemento “buffer”, el cual forma con el elemento interferente un compuesto más estable que con el elemento a determinar. El ejemplo más conocido es la adición de lantano o estroncio en la determinación de calcio en presencia de fosfato.

Preparación de las soluciones estándar de modo tal que su composición sea lo más semejante con la de la solución problema. Esta alternativa es difícil de aplicar debido a que requiere un conocimiento completo de la muestra.

                 INTERFERENCIA DE IONIZACIÓN.

Un átomo neutro en su estado fundamental puede ser ionizado a temperaturas elevadas. Estos iones exhiben propiedades espectroscópicas diferentes a un átomo neutro y no pueden ser determinados por espectroscopia de absorción atómica. Así, el número total de átomos disponibles para la absorción atómica. Así, el número total de átomos disponibles para la absorción de la radiación por unidad de volumen disminuye, lo que produce una pérdida de sensibilidad. Esta interferencia depende tanto de la temperatura de la llama como del potencial de ionización del elemento en estudio.

La ionización puede ser detectada notando que la curva de calibración tiene una desviación positiva a concentraciones altas, dado que la fracción de átomos ionizados es menor a concentraciones mayores. Estas interferencias se pueden eliminar agregando a todas las soluciones estándar y a la muestra un exceso del elemento que sea fácilmente ionizable en la llama, por ejemplo: el sodio, potasio, litio o cesio, o mediante el empleo de una llama de menor temperatura.

                 INTERFERENCIAS ESPECTRALES.

En este tipo de interferencias, la radiación del elemento a determinar es directamente influenciada, existiendo interferencias espectrales de línea e interferencias espectrales de banda:

Las interferencias espectrales de línea ocurren cuando hay superposición de dos líneas atómicas o cuando éstas no son resueltas por el monocromador.

Un ejemplo para el primer caso se tiene en la determinación de trazas de zinc en una matriz de hierro, debido a que la línea de absorción del hierro (213.86 nm) se superpone a la línea de resonancia del zinc (213.86 nm).

El empleo de lámparas multielementales fabricadas con una combinación inadecuada de elementos puede producir interferencias del segundo tipo, si dentro de la banda espectral del monocromador se encuentra una línea de resonancia de otro elemento junto a la del elemento a determinar.

En general este tipo de interferencias no son frecuentes debido a la naturaleza muy específica de la longitud de onda que se usa en espectroscopia de absorción atómica. Si se llegan a presentar se pueden eliminar seleccionando una segunda línea de resonancia del elemento de interés (probablemente se obtenga mayor sensibilidad o empleando una ranura del monocromador más angosta).

Las interferencias espectrales de banda se producen debido a la absorción de la radiación por moléculas o radicales, y por dispersión de la radiación por sólidos. Para ambos efectos, que en principio son distintos, se emplea el término absorción de fondo. Aquí existe una pérdida de radiación no específica que lleva a absorbancias mayores que la absorbancia obtenida por el analito. La señal está compuesta por la absorción del elemento a determinar más la absorción no específica.

La absorción molecular ocurre cuando una especie molecular en el atomizador posee un perfil de absorción que se superpone al del elemento de interés. El espectro molecular del hidróxido de calcio muestra un máximo de absorción en la línea de resonancia del bario.

Este problema es más serio en la región espectral bajo los 250 nm, donde concentraciones altas de metales alcalinos y de otras sales muestran una alta absorción molecular.

La dispersión de la luz ocurre cuando partículas de sólidos causan una deflexión de parte de la radiación de la fuente fuera del eje del sistema monocromador-detector. Estos problemas son relevantes con muestras conteniendo altas concentraciones de elementos refractarios.

Los métodos más empleados en la corrección de la absorción de fondo (BG) son:

Método de corrección de doble línea.

En este método se realiza la medición de una línea de emisión no absorbida por el analito, cuyo valor se resta al valor de la medición obtenida a la longitud de onda de resonancia del analito. El método tiene la desventaja que a veces no es fácil disponer de una línea de no resonancia cercana a la línea de resonancia del analito.

Método de corrección continua de fondo.

La forma más eficaz para medir la absorción de fondo es realizar la medición empleando una lámpara de deuterio o de hidrógeno que emite un espectro continuo bajo los 320 nm. En estos instrumentos ambas fuentes radiantes (lámpara de cátodo hueco (LCH) y de deuterio (LD) son moduladas a la misma frecuencia, pero desfasadas, recorriendo el mismo camino óptico a través de la muestra en el monocromador para llegar al detector. Este observa alternadamente en el tiempo las dos fuentes radiantes. La absorción de fondo disminuye la intensidad de ambas fuentes, mientras que la absorción proveniente de la lámpara de cátodo hueco. La electrónica del instrumento separa ambas señales y compara la absorción de ambas fuentes entregando una señal corregida con respecto a la absorción de fondo.

Espectroscopía de emisión atómica.

 Es un método de análisis químico que utiliza la intensidad de la luz emitida por una llama, un plasma, un arco o chispa eléctricos en una longitud de onda particular para determinar la cantidad de un elemento en una muestra. La longitud de onda es característica de la línea espectral atómica y determina la identidad del elemento, mientras que la intensidad de la luz emitida es proporcional a la cantidad de átomos del elemento.

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 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.

Las muestras pueden ser preparadas mediante un torno o fresa con la finalidad de que pueda sujetarlos adecuadamente en los electrodos, Otro método que se usa con frecuencia para la atomización de muestras pulverizadas consiste en la compactación (briquetting) O pepitización formación de gránulos esféricos o cilíndricos(pelleting) de la muestra

La calidad de la superficie a analizar tiene un efecto decisivo en el resultados de la medición, una superficie “limpia” ofrece una precisión en los resultados  por lo quees necesario contemplar lo siguiente para la realización de un análisis químico por espectrometría:

1. La superficie del material a analizar debe de ser plana, el stand de quema debe estar completamente cubierto

2. La superficie debe de estar libre de cualquier contaminante o imperfección (oxido, pintura, sobre calentamiento por un proceso de corte, poros, etc.)

3. No deben utilizarse los mismos consumibles (lijas, limas, electrodos, cepillos, etc.) para la preparación de distintos tipos de aleaciones

La norma ASTM E415 describe un método de prueba para el análisis espectrométrico de aceros. El nombre completo de la norma es ASTM E415 Espectrómetro de emisión atómica Spark con carbono y acero de baja aleación.

La norma tiene como objetivo probar metales y aleaciones para cumplir con las especificaciones de composición, estas pruebas deben llevarse a cabo en laboratorios confiables y acreditados.

Este método de prueba permite la detección simultánea de 21 aleaciones y elementos residuales en aceros al carbono y de baja aleación con espectrometría de vacío de emisión de chispa en rangos de fracción de masa en el estándar. Además abarca el análisis de control de rutina y el análisis del material mecanizado en las actividades de producción de hierro y acero, también está diseñado para muestras fundidas en frío, laminadas y forjadas.

 Esta técnica es capaz de determinar y cuantificar la mayoría de los elementos de la tabla periódica, a excepción de C, N, O, H, F, gases nobles, algunas tierras raras y otros elementos poco frecuentes, en concentraciones que van desde % hasta ppb

( microg/L). Las muestras son introducidas en forma líquida, transformadas mediante un nebulizador en un aerosol y excitadas mediante un plasma de argon. Las emisiones de los átomos excitados se recogen mediante un sistema óptico basado en un policromador combinado con detectores CCD, obteniendo espectros de emisiÛn para las líneas seleccionadas en cada elemento.

La espectroscopÌa de Emisión Atómica es una técnica versátil, que permite el análisis de una

amplia gama de muestras como por ejemplo catalizadores, alimentos, aguas, muestras

geológicas, biológicas, clínicas.

Para poder llevar a cabo la transformación de la muestra en especie medible (forma lÌquida),

podemos aplicar la digestión por vÌa húmeda mediante disolución ácida (microondas) o la

mineralización por vía seca mediante fusión alcalina. 

Espectroscopía de fluorescencia. 

También llamada fluorimetría; es un tipo de espectroscopia basada en la emisión fluorescente de una muestra. Esto involucra el uso de un haz de luz, comúnmente de luz ultravioleta, que excita a los electrones en ciertas moléculas o átomos y causa la emisión de, típica pero no necesariamente, luz visible. El equipamiento que mide la fluorescencia es llamado fluorómetro o fluorímetro.

Espectroscopía de flourescencia de rayos X.

La fluorescencia de rayos X (XRF) es una técnica analítica que se puede utilizar para determinar la composición química de una amplia variedad de tipos de muestras, entre los que se encuentran sólidos, líquidos, lodos y polvos sueltos. La fluorescencia de rayos X también se utiliza para determinar el espesor y la composición de capas y recubrimientos. Esta puede analizar elementos desde berilio (Be) hasta uranio (U) en gamas de concentración de un 100 % a niveles sub-ppm.

La XRF es un método de emisión atómica, similar en este sentido a la espectroscopia de emisión óptica (OES), al plasma de acoplamiento inductivo (ICP) y al análisis de activación de neutrones (espectroscopía gamma). Estos métodos permiten medir la longitud de onda y la intensidad de la "luz" (rayos X en este caso) emitida por átomos energizados en la muestra. En XRF, la irradiación por un haz de rayos X primario procedente de un tubo de rayos X provoca la emisión de rayos X fluorescentes con energías discretas características de los elementos presentes en la muestra.