Espectroscopia

La espectroscopia es el campo de estudio que mide e interpreta los espectros electromagnéticos en su interacción con la materia. ^{[ 1 ]} En contextos más específicos, la espectroscopia es el estudio preciso del color , generalizado desde la luz visible radiada hasta todas las bandas del espectro electromagnético.

La espectroscopia, principalmente en el espectro electromagnético, es una herramienta de exploración fundamental en los campos de la astronomía , la química , la ciencia de los materiales y la física , que permite investigar la composición y la estructura física y electrónica de la materia a escala atómica, molecular y macroscópica, y a distancias astronómicas .

Históricamente, la espectroscopia se originó como el estudio de la dependencia de la longitud de onda en la absorción de luz visible dispersada por un prisma en materia en fase gaseosa . Las aplicaciones actuales de la espectroscopia incluyen la espectroscopia biomédica en las áreas de análisis de tejidos e imágenes médicas . Las ondas de materia y las ondas acústicas pueden considerarse formas de energía radiativa, y recientemente las ondas gravitacionales se han asociado con una firma espectral en el contexto del Observatorio de Ondas Gravitacionales por Interferometría Láser (LIGO). ^{[ 2 ]}

Introducción

La espectroscopia es una rama de la ciencia que se ocupa de los espectros de la radiación electromagnética en función de su longitud de onda o frecuencia , medidos mediante equipos espectrográficos y otras técnicas, para obtener información sobre la estructura y las propiedades de la materia. ^{[ 3 ]} Los dispositivos de medición espectral se denominan espectrómetros , espectrofotómetros , espectrógrafos o analizadores espectrales . La mayoría de los análisis espectroscópicos en el laboratorio comienzan con una muestra para analizar. Una fuente de luz se envía a través de un monocromador para separar espacialmente los colores antes de hacer pasar una banda de frecuencia seleccionada a través de la muestra, luego la salida es capturada por un fotodiodo . ^{[ 4 ]} Para fines astronómicos, el telescopio debe estar equipado con el dispositivo de dispersión de luz . ^{[ 5 ]} Existen varias versiones de esta configuración básica que se pueden emplear.

La espectroscopia comenzó con Isaac Newton dividiendo la luz con un prisma; un momento clave en el desarrollo de la óptica moderna . ^{[ 6 ]} Por lo tanto, originalmente era el estudio de la luz visible que llamamos color . Tras las contribuciones de James Clerk Maxwell , este estudio llegó a incluir todo el espectro electromagnético . ^{[ 7 ]} Aunque el color está involucrado en la espectroscopia, no es equivalente a la absorción y reflexión de ciertas ondas electromagnéticas que dan a los objetos o elementos una sensación de color a nuestros ojos. Más bien, la espectroscopia implica la división de la luz mediante un prisma, una red de difracción o un instrumento similar, para mostrar un patrón de líneas discretas particulares llamado "espectro", que es único para cada tipo diferente de elemento o molécula. La mayoría de los elementos se colocan primero en estado gaseoso para permitir que se examinen los espectros, aunque hoy en día se pueden utilizar otros métodos para diferentes fases de la materia. Cada elemento que es difractado por un instrumento tipo prisma muestra un espectro de absorción o un espectro de emisión dependiendo de si el elemento se está enfriando o calentando. ^{[ 8 ]}

Hasta hace poco, toda la espectroscopia implicaba el estudio de espectros de líneas y la mayor parte de la espectroscopia aún lo hace. ^{[ 9 ]} La espectroscopia vibracional es la rama de la espectroscopia que estudia los espectros causados por vibraciones de moléculas. ^{[ 10 ]} Sin embargo, los últimos avances en espectroscopia a veces pueden prescindir de la técnica de dispersión. En la espectroscopia bioquímica, se puede obtener información sobre el tejido biológico mediante técnicas de absorción y dispersión de luz. La espectroscopia de dispersión de luz es un tipo de espectroscopia de reflectancia que determina las estructuras tisulares examinando la dispersión elástica. ^{[ 11 ]} En tal caso, es el tejido el que actúa como un mecanismo de difracción o dispersión.

Los estudios espectroscópicos fueron fundamentales para el desarrollo de la mecánica cuántica . Los primeros modelos atómicos cuánticos útiles, incluyendo el modelo de Bohr , la ecuación de Schrödinger y la mecánica matricial , reprodujeron las líneas espectrales del hidrógeno . Estos modelos equipararon los saltos cuánticos discretos del electrón ligado en un átomo de hidrógeno con el espectro discreto del hidrógeno. La explicación de Max Planck sobre la radiación del cuerpo negro involucró la espectroscopia porque comparó la longitud de onda de la luz usando un fotómetro con la temperatura de un cuerpo negro . ^{[ 12 ]} La espectroscopia se utiliza en química física y analítica porque los átomos y las moléculas tienen espectros únicos. Como resultado, estos espectros pueden usarse para detectar, identificar y cuantificar información sobre los átomos y las moléculas.

La espectroscopia se utiliza en astronomía y teledetección terrestre. La mayoría de los telescopios de investigación cuentan con espectrógrafos. Los espectros medidos se utilizan para determinar la composición química y las propiedades físicas de los objetos astronómicos , como su temperatura , abundancia de elementos, velocidad , rotación, campo magnético , entre otras. ^{[ 13 ]} Un uso importante de la espectroscopia se encuentra en la bioquímica. Se pueden analizar muestras moleculares para la identificación de especies y el contenido energético. ^{[ 14 ]}

Teoría

La premisa fundamental de la espectroscopia es que la luz está compuesta de diferentes longitudes de onda y que cada longitud de onda corresponde a una frecuencia distinta. La importancia de la espectroscopia radica en que cada elemento de la tabla periódica posee un espectro de luz único, descrito por las frecuencias de la luz que emite o absorbe, las cuales aparecen consistentemente en la misma región del espectro electromagnético cuando dicha luz se difracta. ^{[ 15 ]} Esto abrió un campo de estudio completo para todo aquello que contiene átomos. La espectroscopia es clave para comprender las propiedades atómicas de toda la materia. De este modo, la espectroscopia ha dado lugar a numerosos subcampos científicos aún por descubrir. La idea de que cada elemento atómico posee su firma espectral única ha permitido que la espectroscopia se utilice en una amplia gama de campos, cada uno con un objetivo específico logrado mediante diferentes procedimientos espectroscópicos. El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología (NIST) mantiene una base de datos pública de espectros atómicos que se actualiza continuamente con mediciones precisas. ^{[ 16 ]}

Con un espectrofotómetro de absorción, el nivel de absorción de una fuente de luz se determina mediante la Ley de Beer-Lambert : $\ln \left({\frac {I_{0}}{I}}\right)=\varepsilon \ell c$ dónde $I_{0}$ es la intensidad de la luz antes de pasar a través de la muestra, $I$ es la intensidad de salida, $\varepsilon$ es el coeficiente de extinción, $\ell$ es la longitud del camino a través de la muestra, y $c$ es la concentración de la muestra. El coeficiente de extinción depende de la longitud de onda seleccionada y de la molécula que se está muestreando. ^{[ 4 ]}

Las resonancias por frecuencia se caracterizaron por primera vez en sistemas mecánicos como los péndulos , que tienen una frecuencia de movimiento observada por Galileo . ^{[ 17 ]} En sistemas mecánicos cuánticos, la resonancia análoga es un acoplamiento de dos estados estacionarios mecánicos cuánticos de un sistema, como dos orbitales atómicos , a través de una fuente de energía oscilatoria como un fotón . El acoplamiento de los dos estados es más fuerte cuando la energía de la fuente coincide con la diferencia de energía entre los dos estados. Es decir, un fotón con la energía adecuada tiene más probabilidades de hacer que un electrón salte entre dos orbitales, un proceso llamado excitación electrónica . La energía $E$ de un fotón está relacionada con su frecuencia $ν$ por $E$ $=$ $hν$ donde $h$ es la constante de Planck , ^[¹⁸^] y por lo tanto un espectro de la respuesta del sistema frente a la frecuencia del fotón tendrá un pico en la frecuencia o energía de resonancia.

Cualquier parte del espectro electromagnético puede utilizarse para analizar una muestra, desde el infrarrojo hasta el ultravioleta, revelando a los científicos diferentes propiedades de la misma muestra, un descubrimiento que condujo a una ampliación del campo de la espectroscopia. Por ejemplo, en el análisis químico, los tipos más comunes de espectroscopia incluyen la espectroscopia atómica, la espectroscopia infrarroja, la espectroscopia ultravioleta y visible, la espectroscopia Raman y la resonancia magnética nuclear . ^{[ 19 ]} En la resonancia magnética nuclear (RMN), la teoría subyacente es que la frecuencia es análoga a la resonancia y su frecuencia resonante correspondiente.

Clasificación de métodos

La espectroscopia es un campo tan amplio que existen numerosas subdisciplinas, cada una con múltiples aplicaciones de técnicas espectroscópicas específicas. Las diversas aplicaciones y técnicas pueden clasificarse de varias maneras.

Tipo de energía radiactiva

Los tipos de espectroscopia se distinguen por el tipo de energía radiativa involucrada en la interacción. En muchas aplicaciones, el espectro se determina midiendo los cambios en la intensidad o frecuencia de esta energía. Los tipos de energía radiativa estudiados incluyen:

La radiación electromagnética fue la primera fuente de energía utilizada para estudios espectroscópicos. Las técnicas que emplean radiación electromagnética se clasifican típicamente según la región de longitud de onda del espectro e incluyen microondas , ^{[ 21 ]} terahercios , ^{[ 22 ]} infrarrojo , ^{[ 23 ]} infrarrojo cercano , ^{[ 24 ]} ultravioleta-visible , ^{[ 25 ]} rayos X , ^{[ 26 ]} y espectroscopia gamma . ^{[ 27 ]}
Las partículas, debido a sus ondas de De Broglie , pueden ser una fuente de energía radiativa. ^{[ 28 ]} Se utilizan tanto la espectroscopia de electrones ^{[ 29 ]} como la de neutrones. ^[²⁶^] Para una partícula, su energía cinética determina su longitud de onda. ^[²⁸^]
La espectroscopia acústica implica ondas de presión radiadas. ^{[ 30 ]}
El análisis mecánico dinámico puede emplearse para impartir energía radiante, similar a las ondas acústicas, a materiales sólidos. ^{[ 31 ]}

Naturaleza de la interacción

Los tipos de espectroscopia se pueden distinguir por la naturaleza de la interacción entre la energía y el material. Estas interacciones incluyen: ^{[ 32 ]}

Espectroscopia de absorción : La absorción se produce cuando la energía de la fuente radiante es absorbida por el material. La absorción se suele determinar midiendo la fracción de energía transmitida a través del material; a mayor absorción, menor es la porción transmitida.
Espectroscopia de emisión : La emisión indica que el material libera energía radiactiva. El espectro de cuerpo negro de un material es un espectro de emisión espontánea determinado por su temperatura. Esta característica se puede medir en el infrarrojo mediante instrumentos como el interferómetro de radiancia emitida atmosférica. ^{[ 33 ]} La emisión puede ser inducida por otras fuentes de energía como llamas , chispas , arcos eléctricos o radiación electromagnética en el caso de la fluorescencia .
La espectroscopia de dispersión elástica y de reflexión determina cómo un material refleja o dispersa la radiación incidente. La cristalografía emplea la dispersión de radiación de alta energía, como rayos X y electrones, para examinar la disposición de los átomos en proteínas y cristales sólidos.
Espectroscopia de impedancia , donde la impedancia es la capacidad de un medio para impedir o ralentizar la transmisión de energía. ^{[ 34 ]} Para aplicaciones ópticas , esto se caracteriza por el índice de refracción .
Los fenómenos de dispersión inelástica implican un intercambio de energía entre la radiación de rayos X y la materia que modifica la longitud de onda de la radiación dispersada. Estos incluyen la dispersión Raman y la dispersión Compton . ^{[ 35 ]}
La espectroscopia coherente o de resonancia es una técnica en la que la energía radiativa acopla dos estados cuánticos del material mediante una interacción coherente mantenida por el campo radiante. Esta coherencia puede verse interrumpida por otras interacciones, como colisiones de partículas y transferencia de energía, por lo que a menudo requiere radiación de alta intensidad para mantenerse. La espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) es un método de resonancia ampliamente utilizado, y la espectroscopia láser ultrarrápida permite trabajar en las regiones espectrales infrarroja y visible.
La espectroscopia nuclear comprende métodos que utilizan las propiedades de núcleos específicos para analizar la estructura local de la materia, principalmente la materia condensada , las moléculas en líquidos o líquidos congelados y las biomoléculas.
La espectroscopia de lógica cuántica es una técnica general utilizada en trampas de iones que permite la espectroscopia de precisión de iones con estructuras internas que impiden el enfriamiento láser , la manipulación de estados y la detección. ^{[ 36 ]} Las operaciones de lógica cuántica permiten que un ion controlable intercambie información con un ion atrapado simultáneamente que posee una estructura electrónica compleja o desconocida.

Tipo de material

Los estudios espectroscópicos están diseñados para que la energía radiante interactúe con tipos específicos de materia. Estos estudios se pueden dividir en tres grandes categorías: ^{[ 37 ]} espectroscopia electrónica , que mide la transición de electrones entre diferentes estados de energía a través de la absorción o emisión de energía visible o ultravioleta; espectroscopia vibrónica de moléculas inducida por la absorción de energía infrarroja; y espectroscopia rotacional de moléculas causada por energía de microondas. ^{[ 38 ]} Las dos últimas se pueden combinar en espectroscopia rotacional-vibracional de un gas.

Átomos

La espectroscopia atómica fue la primera aplicación de la espectroscopia. La espectroscopia de absorción atómica y la espectroscopia de emisión atómica utilizan luz visible y ultravioleta. Estas absorciones y emisiones, a menudo denominadas líneas espectrales atómicas, se deben a las transiciones electrónicas de los electrones de la capa externa al ascender y descender de una órbita electrónica a otra. Los átomos poseen espectros de rayos X distintivos que se atribuyen a la excitación de los electrones de la capa interna a estados excitados.

Los átomos de diferentes elementos tienen espectros distintos y, por lo tanto, la espectroscopia atómica permite la identificación y cuantificación de la composición elemental de una muestra. Después de que Robert Bunsen y Gustav Kirchhoff inventaran el espectroscopio, Bunsen descubrió el cesio y el rubidio al observar sus espectros de emisión. ^{[ 39 ]} Las líneas de absorción atómica se observan en el espectro solar y se denominan líneas de Fraunhofer en honor a su descubridor. ^{[ 40 ]} Una explicación exhaustiva del espectro del hidrógeno fue un éxito temprano de la mecánica cuántica ^{[ 41 ]} y explicó el desplazamiento de Lamb observado en el espectro del hidrógeno, ^{[ 42 ]} lo que más llevó al desarrollo de la electrodinámica cuántica .

Las implementaciones modernas de la espectroscopia atómica para estudiar las transiciones visibles y ultravioleta incluyen la espectroscopia de emisión de llama , la espectroscopia de emisión atómica de plasma acoplado inductivamente , ^{[ 43 ]} la espectroscopia de descarga luminiscente , ^{[ 44 ]} la espectroscopia de plasma inducido por microondas , ^{[ 45 ]} y la espectroscopia de emisión de chispa o arco. ^{[ 46 ]} Las técnicas para estudiar los espectros de rayos X incluyen la espectroscopia de rayos X ^{[ 26 ]} y la fluorescencia de rayos X. ^{[ 47 ]}

Moléculas

La combinación de átomos en moléculas conduce a la creación de tipos únicos de estados energéticos y, por lo tanto, espectros únicos de las transiciones entre estos estados. Los espectros moleculares se pueden obtener debido a los estados de espín electrónico ( resonancia paramagnética electrónica ), rotaciones moleculares , vibraciones moleculares y estados electrónicos. Las rotaciones son movimientos colectivos de los núcleos atómicos y generalmente dan lugar a espectros en las regiones espectrales de microondas y ondas milimétricas. La espectroscopia rotacional y la espectroscopia de microondas son sinónimas. Las vibraciones son movimientos relativos de los núcleos atómicos y se estudian mediante espectroscopia infrarroja y Raman . Las excitaciones electrónicas se estudian utilizando espectroscopia visible y ultravioleta, así como espectroscopia de fluorescencia . ^{[ 32 ]}^{[ 48 ]}^{[ 49 ]}^{[ 50 ]}^{[ 51 ]}

Los estudios en espectroscopia molecular condujeron al desarrollo del primer máser y contribuyeron al desarrollo posterior del láser .

Cristales y materiales extendidos

La combinación de átomos o moléculas en cristales u otras formas extendidas da lugar a la creación de estados energéticos adicionales. Estos estados son numerosos y, por lo tanto, presentan una alta densidad de estados. Esta alta densidad suele debilitar los espectros y hacerlos menos definidos, es decir, más amplios. Por ejemplo, la radiación de cuerpo negro se debe a los movimientos térmicos de los átomos y las moléculas dentro de un material. Las respuestas acústicas y mecánicas también se deben a movimientos colectivos. Sin embargo, los cristales puros pueden presentar transiciones espectrales distintas, y la disposición cristalina influye en los espectros moleculares observados. La estructura reticular regular de los cristales dispersa rayos X, ^[⁵²^] electrones ^[⁵³^] o neutrones, ^[⁵⁴^] lo que permite realizar estudios cristalográficos.

Núcleos

Los núcleos poseen estados energéticos distintos que se encuentran ampliamente separados y dan lugar a espectros de rayos gamma . Los distintos estados de espín nuclear pueden separarse energéticamente mediante un campo magnético, lo que permite la espectroscopia de resonancia magnética nuclear . ^[⁵⁵^]

Otros tipos

Otros tipos de espectroscopia se distinguen por aplicaciones o implementaciones específicas:

La espectroscopia de resonancia acústica se basa en ondas sonoras principalmente en las regiones audible y ultrasónica . ^{[ 56 ]}
La espectroscopia de electrones Auger es un método utilizado para estudiar superficies de materiales a microescala. Se utiliza frecuentemente junto con la microscopía electrónica. ^{[ 57 ]}
La espectroscopia de decaimiento de cavidad permite medir la extinción óptica absoluta de muestras que dispersan y absorben luz. ^{[ 58 ]}
La espectroscopia de dicroísmo circular mide la absorción diferencial de luz polarizada circularmente a la izquierda y a la derecha . ^{[ 59 ]}
La espectroscopia Raman anti-Stokes coherente es una técnica reciente que posee alta sensibilidad y potentes aplicaciones para la espectroscopia y la obtención de imágenes in vivo . ^{[ 60 ]}
La espectroscopia de fluorescencia atómica de vapor frío es una subclase de la técnica de espectroscopia de emisión atómica que mide cantidades traza de metales pesados volátiles en el aire, como el mercurio. ^{[ 61 ]}
La espectroscopia de correlación abarca varios tipos de espectroscopia de RMN bidimensional. ^{[ 62 ]}
La espectroscopia transitoria de nivel profundo mide la concentración y analiza los parámetros de defectos eléctricamente activos en materiales semiconductores . ^{[ 63 ]}
La espectroscopia dieléctrica mide las propiedades dieléctricas de un medio en función de la frecuencia . ^{[ 64 ]}
La interferometría de doble polarización mide las componentes real e imaginaria del índice de refracción complejo. ^{[ 65 ]}
Espectroscopia de pérdida de energía de electrones en microscopía electrónica de transmisión. ^{[ 66 ]}
La espectroscopia fenomenológica electrónica mide las propiedades fisicoquímicas y las características de la estructura electrónica de sistemas moleculares complejos y multicomponentes. ^{[ 67 ]}
La espectroscopia de resonancia paramagnética electrónica es similar a la resonancia magnética nuclear (RMN), excepto que mide la excitación de espín de los electrones desapareados . ^{[ 68 ]}
La espectroscopia de fuerza es un conjunto de técnicas para el estudio de las interacciones y las fuerzas de enlace entre moléculas individuales, aunque el nombre es algo engañoso porque no existe una verdadera interacción materia-radiación. ^{[ 69 ]}
La espectroscopia de transformada de Fourier es un método eficiente para procesar datos espectrales obtenidos mediante interferómetros. La espectroscopia infrarroja de transformada de Fourier es una implementación de la espectroscopia infrarroja. ^{[ 70 ]} La RMN también emplea transformadas de Fourier .
La espectroscopia gamma mide las emisiones de rayos gamma de procesos de alta energía, incluidas fuentes radiactivas y astrofísicas. ^{[ 71 ]}
La espectroscopia hadrónica estudia el espectro de energía/masa de los hadrones según su espín , paridad y otras propiedades de la partícula. La espectroscopia bariónica y la espectroscopia mesónica son tipos de espectroscopia hadrónica.
La imagen multiespectral y la imagen hiperespectral son métodos para crear una imagen completa del entorno o de diversos objetos, donde cada píxel contiene un espectro visible completo, visible infrarrojo cercano, infrarrojo cercano o infrarrojo. ^{[ 72 ]}
La espectroscopia de tunelización electrónica inelástica utiliza los cambios en la corriente debidos a la interacción inelástica electrón-vibración a energías específicas que también pueden medir transiciones ópticamente prohibidas. ^{[ 73 ]}
La dispersión inelástica de neutrones es similar a la espectroscopia Raman, pero utiliza neutrones en lugar de fotones. ^{[ 74 ]}
La espectroscopia de ruptura inducida por láser , también llamada espectrometría de plasma inducida por láser, es un tipo de espectroscopia de emisión atómica que utiliza un pulso láser de alta energía como fuente de excitación ^{[ 75 ].}
La espectroscopia láser utiliza láseres sintonizables ^{[ 76 ]} y otros tipos de fuentes de emisión coherente, como osciladores paramétricos ópticos ^{[ 77 ]} , para la excitación selectiva de especies atómicas o moleculares.
La espectroscopia de dispersión de luz (LSS) es una técnica espectroscópica que se utiliza habitualmente para evaluar los cambios morfológicos en las células epiteliales con el fin de estudiar el tejido mucoso y detectar el cáncer y las lesiones precancerosas en etapas tempranas . ^{[ 11 ]}^{[ 78 ]}
La espectroscopia de masas es un término histórico que se usa para referirse a la espectrometría de masas . La recomendación actual es usar este último término. ^{[ 79 ]} El término "espectroscopia de masas" se originó en el uso de pantallas de fósforo para detectar iones.
La espectroscopia Mössbauer investiga las propiedades de núcleos isotópicos específicos en diferentes entornos atómicos mediante el análisis de la absorción resonante de rayos gamma . ^[⁸⁰^] Véase efecto Mössbauer .
La espectroscopia de eco de espín de neutrones mide la dinámica interna en proteínas y otros sistemas de materia blanda . ^{[ 81 ]}
La resonancia cuadrupolar nuclear es un método de espectroscopia química mediado por RMN del gradiente de campo eléctrico (GCE) en ausencia de campo magnético.
La correlación angular perturbada (PAC) utiliza núcleos radiactivos como sonda para estudiar los campos eléctricos y magnéticos ( interacciones hiperfinas ) en cristales ( materia condensada ) y biomoléculas.
La espectroscopia fotoacústica es la medición del efecto de la energía electromagnética absorbida sobre la materia mediante detección acústica. ^{[ 82 ]}
La espectroscopia de emisión acústica es la medición de ondas acústicas cuando un material se deforma. ^{[ 83 ]}
La espectroscopia de fotoemisión mide la energía o el espín de los electrones emitidos por los materiales mediante el efecto fotoeléctrico . ^{[ 84 ]}
- La espectroscopia de fotoelectrones de rayos X es una técnica de análisis de superficies que utiliza un haz de rayos X para realizar espectroscopia de fotoemisión ^{[ 85 ].}
La espectroscopia fototérmica mide el calor liberado tras la absorción de radiación. ^{[ 86 ]}
La espectroscopia de bombeo-sonda puede utilizar pulsos láser ultrarrápidos para medir intermedios de reacción en la escala de tiempo de femtosegundos. ^{[ 87 ]}
La espectroscopia de actividad óptica Raman aprovecha la dispersión Raman y los efectos de la actividad óptica para revelar información detallada sobre los centros quirales en las moléculas.
La espectroscopia Raman se utiliza para determinar los modos vibracionales de las moléculas, proporcionando una huella estructural mediante la cual se pueden identificar las moléculas. ^{[ 88 ]}
La espectroscopia de saturación utiliza una técnica de doble láser para eliminar los perfiles Doppler de las señales espectroscópicas de átomos calientes. Para ello, mide la señal espectral de los átomos que se mueven perpendicularmente al láser. ^{[ 89 ]}
La espectroscopia de efecto túnel de barrido utiliza un microscopio de efecto túnel de barrido para medir las características de corriente-voltaje de una superficie y construir un mapa de la estructura electrónica. ^{[ 90 ]}
La espectrofotometría combina un espectrómetro con un fotómetro para medir la intensidad de la energía en diferentes longitudes de onda. Esto se puede utilizar para determinar las propiedades de reflexión o transmisión de una sustancia. ^{[ 91 ]}
La espectroscopia de ruido de espín rastrea las fluctuaciones espontáneas de los espines electrónicos y nucleares. ^{[ 92 ]}
La espectroscopia resuelta en el tiempo mide las tasas de decaimiento de los estados excitados utilizando diversos métodos espectroscópicos. ^{[ 93 ]}
Espectroscopia de estiramiento temporal ^{[ 94 ]}^{[ 95 ]}
La espectroscopia infrarroja térmica mide la radiación térmica emitida por materiales y superficies, y se utiliza para determinar el tipo de enlaces presentes en una muestra, así como su entorno reticular. Estas técnicas son ampliamente utilizadas por químicos orgánicos, mineralogistas y científicos planetarios .
La espectroscopia de rejilla transitoria mide la propagación de cuasipartículas. Permite rastrear los cambios en materiales metálicos a medida que son irradiados.
espectroscopia de fotoelectrones ultravioleta
Espectroscopia ultravioleta-visible
espectroscopia de dicroísmo circular vibracional
Espectroscopia de vídeo

Aplicaciones

La espectroscopia tiene diversas aplicaciones en los campos de la medicina, la física, la química y la astronomía. Aprovechando las propiedades de absorbancia y, en astronomía, de emisión , la espectroscopia permite identificar ciertos estados de la naturaleza. Su uso en tantos campos científicos diferentes y para tantas aplicaciones diversas ha propiciado la creación de subcampos especializados. Algunos ejemplos son:

Determinación de la estructura atómica de una muestra ^{[ 97 ]}
Estudio de las líneas de emisión espectrales del sol y galaxias distantes ^{[ 98 ]}
Exploración espacial ^{[ 99 ]}
Monitorización del curado de materiales compuestos mediante fibras ópticas . ^{[ 100 ]}
Estimación de los tiempos de exposición de la madera erosionada mediante espectroscopia de infrarrojo cercano ^{[ 101 ]}
Medición de diferentes compuestos en muestras de alimentos mediante espectroscopia de absorción tanto en el espectro visible como en el infrarrojo ^{[ 102 ].}
Medición de compuestos tóxicos en muestras de sangre ^{[ 103 ]}
Análisis elemental no destructivo mediante fluorescencia de rayos X ^{[ 104 ]}
Investigación de la estructura electrónica con varios espectroscopios ^{[ 90 ]}^{[ 67 ]}^{[ 105 ]}
Desplazamiento al rojo para determinar la velocidad y la velocidad de un objeto distante ^{[ 106 ]}
Determinación de la estructura metabólica de un músculo
Monitoreo del contenido de oxígeno disuelto en ecosistemas de agua dulce y marinos ^{[ 107 ]}
Modificar la estructura de los fármacos para mejorar su eficacia.
Caracterización de proteínas
Análisis de gases respiratorios en hospitales ^{[ 8 ]}
Determinación de las propiedades físicas de una estrella distante o un exoplaneta cercano mediante el efecto Doppler relativista . ^{[ 108 ]}
Determinación del sexo in ovo : la espectroscopia permite determinar el sexo del huevo mientras está eclosionando. Desarrollada por empresas francesas y alemanas, ambos países decidieron prohibir el sacrificio de pollitos , realizado principalmente mediante un triturador, en 2022. ^{[ 109 ]}
Monitoreo de procesos en el control de procesos industriales ^{[ 110 ]}

Historia

La historia de la espectroscopia comenzó con los experimentos de óptica de Isaac Newton (1666-1672). Según Andrew Fraknoi y David Morrison , «En 1672, en el primer artículo que presentó a la Royal Society , Isaac Newton describió un experimento en el que permitió que la luz solar pasara a través de un pequeño orificio y luego a través de un prisma. Newton descubrió que la luz solar, que nos parece blanca, en realidad está compuesta por una mezcla de todos los colores del arco iris». ^{[ 111 ]} Newton aplicó la palabra «espectro» para describir el arco iris de colores que se combinan para formar la luz blanca y que se revelan cuando la luz blanca pasa a través de un prisma.

Fraknoi y Morrison afirman que «En 1802, William Hyde Wollaston construyó un espectrómetro mejorado que incluía una lente para enfocar el espectro solar en una pantalla. Al usarlo, Wollaston se percató de que los colores no se distribuían uniformemente, sino que presentaban zonas sin color, que aparecían como bandas oscuras en el espectro». ^{[ 111 ]} A principios del siglo XIX, Joseph von Fraunhofer realizó avances experimentales con espectrómetros dispersivos que permitieron que la espectroscopia se convirtiera en una técnica científica más precisa y cuantitativa. Desde entonces, la espectroscopia ha desempeñado y sigue desempeñando un papel fundamental en la química, la física y la astronomía. Según Fraknoi y Morrison, «Más tarde, en 1815, el físico alemán Joseph Fraunhofer examinó el espectro solar y descubrió unas 600 de estas líneas oscuras (colores faltantes), conocidas actualmente como líneas de Fraunhofer o líneas de absorción». ^{[ 111 ]}

Los espectros de átomos y moléculas suelen consistir en una serie de líneas espectrales, cada una de las cuales representa una resonancia entre dos estados cuánticos diferentes. La explicación de estas series, y los patrones espectrales asociados a ellas, fueron uno de los enigmas experimentales que impulsaron el desarrollo y la aceptación de la mecánica cuántica. La serie espectral del hidrógeno, en particular, fue explicada con éxito por primera vez por el modelo cuántico de Rutherford-Bohr del átomo de hidrógeno. En algunos casos, las líneas espectrales están bien separadas y son distinguibles, pero pueden superponerse y parecer una sola transición si la densidad de estados de energía es suficientemente alta. Las series de líneas con nombre incluyen la serie principal , la serie aguda , la serie difusa y la serie fundamental .

aficionado

La espectroscopia ha surgido como una práctica en auge dentro del movimiento maker , permitiendo a aficionados y educadores construir espectrómetros funcionales utilizando materiales fácilmente disponibles. ^{[ 112 ]} Utilizando componentes como rejillas de difracción de CD/DVD, teléfonos inteligentes y piezas impresas en 3D, estos instrumentos ofrecen un enfoque práctico para comprender las interacciones entre la luz y la materia. Las aplicaciones para teléfonos inteligentes ^{[ 113 ]}^{[ 114 ]} junto con herramientas de código abierto ^{[ 115 ]} facilitan la integración y simplifican enormemente la captura y el análisis de datos espectrales. Si bien existen limitaciones en la resolución, la precisión de la calibración y el manejo de la luz parásita en comparación con los equipos profesionales, la espectroscopia DIY proporciona valiosas experiencias educativas ^{[ 116 ]} y contribuye a las iniciativas de ciencia ciudadana, fomentando el acceso a las técnicas espectroscópicas.

Referencias

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Enlaces externos

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