Espectrómetro: qué es, cómo funciona y usos en espectroscopia

Descubre qué es un espectrómetro, cómo funciona y sus aplicaciones en espectroscopia: tipos, mediciones y usos desde rayos X hasta el infrarrojo.

Un espectrómetro es un instrumento óptico utilizado para medir las propiedades de la luz en una porción específica del espectro electromagnético.

La variable independiente suele ser la longitud de onda de la luz. La variable medida suele ser la intensidad de la luz, pero también puede ser, por ejemplo, el estado de polarización. Un espectrómetro se utiliza en espectroscopia para producir líneas espectrales y medir sus longitudes de onda e intensidades. Espectrómetro es un término que se aplica a los instrumentos que operan en una gama muy amplia de longitudes de onda, desde los rayos gamma y los rayos X hasta el infrarrojo lejano.

En general, cualquier instrumento particular operará en una pequeña porción de este rango total debido a las diferentes técnicas utilizadas para medir diferentes porciones del espectro. Por debajo de las frecuencias ópticas (es decir, en las frecuencias de microondas, radio y audio), el analizador de espectro es un dispositivo electrónico estrechamente relacionado.

Principio de funcionamiento

Un espectrómetro separa la luz entrante en sus componentes espectrales (según la longitud de onda o la frecuencia) y mide la intensidad en cada componente. Las técnicas más comunes para separar la luz son la dispersión mediante una red de difracción o un prisma y la interferometría (como en los espectrómetros de transformada de Fourier). La luz dispersada o modulada se detecta con detectores sensibles que convierten la señal óptica en una señal eléctrica que puede registrarse y procesarse.

Componentes principales

• Entrada/órbita óptica: fentes o guías de fibra que limitan y dirigen la luz hacia el instrumento.
• Elementos dispersivos: redes de difracción, prismas o interferómetros (FTS) que separan las longitudes de onda.
• Óptica de enfoque: lentes o espejos que forman el espectro sobre el detector.
• Detector(es): fotomultiplicadores (PMT), fotodiodos, matrices CCD/CMOS, bolómetros o detectores infrarrojos, según la región del espectro.
• Sistema electrónico y software: amplificación, conversión analógica-digital, control de integración y procesamiento para obtener el espectro final.

Tipos de espectrómetros

• Monocromadores escaneantes: usan una rendija y un elemento dispersivo móvil; miden una longitud de onda a la vez.
• Espectrómetros de array: forman todo el espectro sobre una matriz detectora (p. ej., CCD) y registran muchas longitudes de onda simultáneamente; son rápidos y comunes en espectroscopía moderna.
• Espectrómetros de transformada de Fourier (FTS): usan interferometría para obtener alta resolución y ancho espectral; frecuentes en el infrarrojo y en aplicaciones de alta resolución.
• Echelle: combinan una red con un ordenaje para lograr muy alta resolución en astronomía y en espectroscopía de precisión.
• Espectrómetros portátiles y de campo: compactos, a menudo con fibra óptica, para control industrial, ambiental y aplicaciones forenses.

Parámetros clave

• Resolución espectral: capacidad para distinguir líneas cercanas en longitud de onda (se expresa como Δλ o λ/Δλ).
• Rango espectral: el intervalo de longitudes de onda que cubre el instrumento.
• Sensibilidad y relación señal‑ruido (SNR): determinan la mínima intensidad detectable y la calidad del espectro.
• Etendue (throughput): cantidad de luz que el sistema puede aceptar sin pérdida significativa.
• Dispersión y exactitud de calibración: precisiones en la asignación de longitudes de onda, que suelen calibrarse con líneas de referencia (lampas de mercurio/neón, láseres, etc.).
• Luz parásita (stray light): la contaminaci ón del espectro por radiación no deseada; afecta la medición de componentes débiles.

Espectrómetro vs. instrumentos relacionados

Es habitual confundir términos:

• Espectrómetro: dispositivo que produce y mide un espectro (puede requerir procesamiento electrónico).
• Espectrógrafo: forma y registra el espectro, a menudo usado en astronomía (registra imagen espectral en un detector bidimensional).
• Espectroscopio: término más general o antiguo para instrumentos que permiten observar colores o líneas espectrales.
• Espectrofotómetro: mide la intensidad absoluta o la transmitancia/absorbancia de una muestra en función de la longitud de onda.

Aplicaciones en espectroscopia

Los espectrómetros se usan en muy diversos campos:

• Astronomía: identificación de elementos en estrellas y galaxias, velocidad radial por corrimiento Doppler, estudio de atmósferas planetarias.
• Química y laboratorio: análisis cualitativo y cuantitativo de sustancias (espectros de absorción, emisión y fluorescencia).
• Medicina y biología: espectroscopía de tejidos, espectrometría de masas acoplada a técnicas ópticas y diagnóstico por imágenes.
• Medio ambiente: detección de contaminantes atmosféricos, medición de gases por absorción diferencial.
• Industria: control de procesos, detección de impurezas y control de calidad (p. ej., en producción farmacéutica o alimentaria).
• Seguridad y forense: identificación de sustancias y análisis de trazas.
• Telecomunicaciones y fotónica: caracterización de fuentes láser, filtros y componentes ópticos.

Calibración y buenas prácticas

Para obtener datos fiables hay que:

• Calibrar la escala de longitudes de onda con fuentes de referencia conocidas.
• Controlar la respuesta espectral del detector (corrección de sensibilidad relativa).
• Minimizar luz parásita, ajustar la anchura de la rendija para equilibrio entre resolución y señal, y elegir tiempos de integración adecuados.
• Realizar mediciones de fondo y sustracción de ruido oscuro.

Limitaciones y consideraciones

La elección del tipo de espectrómetro implica compromisos: mayor resolución reduce la cantidad de luz que llega al detector; los detectores tienen ventanas espectrales y ruido específicos; en ciertos rangos (rayos X o gamma) se requieren detectores especiales y técnicas distintas. Además, la precisión absoluta depende de la estabilidad térmica y mecánica del instrumento.

En resumen, el espectrómetro es una herramienta fundamental en espectroscopia que, mediante distintos diseños y detectores, permite analizar la composición, propiedades y dinámicas de materiales y fuentes luminosas a lo largo de gran parte del espectro electromagnético.

Preguntas y respuestas

P: ¿Qué es un espectrómetro?

P: ¿Cuál es la variable independiente en un espectrómetro?

P: ¿Qué variable mide un espectrómetro?

P: ¿Para qué sirve un espectrómetro?

P: ¿En qué rango de longitudes de onda puede funcionar un espectrómetro?

P: ¿Por qué un instrumento concreto sólo funciona en una pequeña parte de la gama total de longitudes de onda?

P: ¿Qué dispositivo electrónico está estrechamente relacionado con el espectrómetro?

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