Espectroscopía: definición, principios y aplicaciones científicas
Descubre la espectroscopía: definición, principios y aplicaciones científicas para identificar sustancias por su luz, analizar moléculas y explorar partículas subatómicas con precisión.
La espectroscopia es el estudio de la luz en función de la longitud de onda que se ha emitido, reflejado o brillado a través de un sólido, líquido o gas. Para analizar la sustancia química se calienta, porque las cosas calientes brillan y cada sustancia química brilla de forma diferente. Las distintas longitudes de onda del resplandor conforman un espectro de color que difiere en algunos detalles de otras sustancias químicas. La espectroscopia separa y mide el brillo de las diferentes longitudes de onda. Puede identificar las sustancias químicas de una mezcla y determinar algunas otras cosas, como el grado de calor de la cosa.
La espectroscopia permite a los científicos investigar y explorar cosas que son demasiado pequeñas para ser vistas a través de un microscopio, como las moléculas, y las partículas subatómicas aún más pequeñas como los protones, neutrones y electrones. Existen instrumentos especiales para medir y analizar estas ondas luminosas.
Principios físicos básicos
La espectroscopia se basa en que átomos y moléculas absorben, emiten o dispersan luz en longitudes de onda específicas asociadas a transiciones de energía entre niveles cuánticos. Estas transiciones pueden ser:
- Electrónicas: cambios en los niveles de energía de los electrones (usuales en el ultravioleta/visible).
- Vibracionales: cambios en las vibraciones moleculares (infrarrojo medio, espectroscopía IR).
- Rotacionales: cambios en la rotación de moléculas (microondas y regiones lejanas del infrarrojo).
- Espintrónicas y nucleares: transiciones relacionadas con espín nuclear (espectroscopía de resonancia magnética nuclear, RMN).
El resultado experimental es un espectro, que muestra la intensidad de la señal en función de la longitud de onda, la frecuencia o el número de onda (cm⁻¹). La forma del espectro (líneas discretas, bandas anchas, continuo) contiene información sobre composición química, temperatura, densidad y entorno físico.
Técnicas e instrumentos
Los componentes básicos de un sistema espectroscópico son una fuente de radiación, un sistema que dispersa o separa las longitudes de onda (por ejemplo, un prisma o una rejilla) y un detector que mide la intensidad. Entre instrumentos y métodos comunes están:
- Espectrómetros ópticos: para regiones UV–Vis–IR; usan monocromadores o redes de difracción y detectores como fotomultiplicadores o CCD.
- Espectroscopia de absorción atómica (AAS): para detectar metales en trazas.
- Espectroscopía de fluorescencia: mide la luz emitida tras excitación; muy sensible en bioquímica.
- Raman: analiza la luz dispersada inelásticamente y da información sobre enlaces químicos y estructura molecular.
- RMN (resonancia magnética nuclear): explora las propiedades magnéticas de núcleos como 1H o 13C y permite determinar estructuras moleculares complejas.
- Espectroscopía de rayos X (XPS, XRF): para composición elemental y estados de oxidación en superficies y materiales.
- Espectrometría de masas (MS): aunque no es óptica, se relaciona estrechamente con la espectroscopia por proporcionar masas y fragmentaciones moleculares.
Interpretación del espectro
Para interpretar un espectro se analizan:
- Posición de las líneas o picos: indica la energía de la transición y sirve para identificar átomos o grupos funcionales.
- Intensidad: relacionada con la concentración (en espectroscopía de absorción la ley de Beer–Lambert describe que la absorbancia es proporcional a la concentración y la longitud de la trayectoria).
- Ancho de línea: puede deberse a efectos Doppler (movimiento), colisiones (ensanchamiento por presión) o a la resolución del instrumento.
- Patrones: la combinación de líneas y bandas forma un “huella” característica útil para identificación.
Aplicaciones científicas y prácticas
La espectroscopia es una herramienta transversal con multitud de aplicaciones:
- Astronomía: identificar elementos en estrellas y galaxias, medir velocidades radiales (corrimiento al rojo y al azul) y determinar temperaturas y composiciones atmosféricas.
- Química y farmacéutica: caracterización y pureza de compuestos, seguimiento de reacciones y control de calidad.
- Ciencias ambientales: monitorización de contaminantes atmosféricos y del agua (por ejemplo, detección de NOx, SO2, metales pesados).
- Biomedicina: técnicas como espectroscopía de fluorescencia, RMN y espectroscopía de infrarrojo para diagnóstico, imagen y estudio de biomoléculas.
- Ciencia de materiales: análisis de superficies, identificación de fases y estudio de tensiones y defectos.
- Conservación del patrimonio y arte: identificación de pigmentos y materiales sin toma de muestras invasiva.
- Forense e industria: identificación de muestras, control de procesos y detección de adulteraciones.
Limitaciones, calibración y buenas prácticas
Al interpretar datos espectroscópicos conviene tener en cuenta limitaciones y fuentes de error:
- Necesidad de calibración del instrumento en longitud de onda y en intensidad.
- Interferencias de otras especies que pueden solaparse con señales de interés.
- Sensibilidad y límite de detección que dependen de la técnica y del detector.
- Condiciones experimentales (temperatura, presión, matriz de la muestra) que afectan al espectro.
Las buenas prácticas incluyen el uso de patrones o estándares, la corrección de la línea base, la validación mediante técnicas complementarias y la estimación de incertidumbres.
Resumen
La espectroscopia es una disciplina fundamental para conocer la composición y las propiedades de la materia a partir de su interacción con la radiación. Combina principios cuánticos, instrumentación precisa y métodos de análisis para ofrecer información cualitativa y cuantitativa en campos tan diversos como la astronomía, la química, la biomedicina y la ingeniería de materiales.
La llama del alcohol y su espectro
Métodos
La espectroscopia infrarroja mide la luz en el espectro electromagnético infrarrojo. Lo más destacado de la espectroscopia IR es que resulta muy útil para identificar los grupos funcionales de las moléculas orgánicas. La absorción de la luz infrarroja por parte de las moléculas orgánicas provoca vibraciones moleculares. Las frecuencias vibracionales son únicas para los grupos funcionales individuales. El espectro IR viene dado gráficamente por la transmitancia (%) frente al número de onda (cm-1)
La cristalografía de rayos X permite observar la estructura de una molécula cristalina. La nube de electrones de cada átomo difracta los rayos X, revelando así las posiciones de los átomos. En este método se pueden cristalizar y utilizar diversas moléculas inorgánicas y orgánicas, como el ADN, las proteínas, las sales y los metales. La muestra utilizada para el análisis no se destruye.
La espectroscopia ultravioleta-visible utiliza la luz visible y ultravioleta para observar la cantidad de una sustancia química en un líquido. El color de la solución es la base del funcionamiento del UV-Vis. El color de la solución con la que estamos trabajando está coloreado debido a su composición química. Así que la solución absorbe algunos colores de luz y refleja otros colores, la luz que refleja es el color de la solución. La espectroscopia UV-Vis funciona haciendo pasar la luz a través de una muestra de la solución y determinando la cantidad de luz que absorbe la solución.
La resonancia magnética nuclear permite observar los núcleos. Utiliza las propiedades magnéticas de ciertos núcleos, los más comunes son 13el C y el1 H. El instrumento de RMN genera un gran campo magnético que hace que los núcleos actúen como pequeñas barras magnéticas. Los núcleos se alinean con el campo magnético del instrumento o contra él. En este punto tenemos dos posibles orientaciones los núcleos podrían estar en α o β. A continuación los núcleos son expuestos a ondas de radio que hacen que α pase a la orientación β. Cuando se produce este cambio se emite energía y se detecta. Los datos se interpretan gráficamente (Intensidad frente a desplazamientos químicos en ppm) mediante un sistema informático. La RMN no destruye la muestra que se utiliza para el análisis. A continuación se muestra un sistema de RMN de 900 MHz.
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- Espectroscopia de electrones Auger
Preguntas y respuestas
P: ¿Qué es la espectroscopia?
R: La espectroscopia es el estudio de la luz en función de la longitud de la onda que se ha emitido, reflejado o brillado a través de un sólido, líquido o gas.
P: ¿Por qué los químicos calientan una sustancia química durante la espectroscopia?
R: Cada sustancia química brilla de forma diferente cuando se calienta, y la espectroscopia analiza el brillo de la sustancia química para determinar su espectro de color de longitud de onda, que difiere de los demás.
P: ¿Cómo diferencia la espectroscopia las distintas sustancias químicas?
R: La espectroscopia separa y mide el brillo de las diferentes longitudes de onda del resplandor de las sustancias químicas.
P: ¿Qué puede determinar la espectroscopia además de identificar sustancias químicas?
R: La espectroscopia puede determinar lo caliente que está lo que se está analizando.
P: ¿Cuál es la ventaja de la espectroscopia?
R: La espectroscopia permite a los científicos investigar y explorar cosas que son demasiado pequeñas para ser vistas a través de un microscopio, como las moléculas y las partículas subatómicas.
P: ¿Qué se necesita para medir y analizar las ondas luminosas en espectroscopia?
R: Se necesitan instrumentos especiales para medir y analizar las ondas luminosas en espectroscopia.
P: ¿Cuáles son algunos ejemplos de partículas subatómicas que pueden investigarse mediante espectroscopia?
R: Las partículas subatómicas como los protones, los neutrones y los electrones pueden investigarse mediante espectroscopia.
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