Espectroscopia

Un ejemplo de espectroscopia: un prisma analiza la luz blanca dispersándola en sus colores componentes.

La espectroscopia es el campo de estudio que mide e interpreta los espectros electromagnéticos que resultan de la interacción entre la radiación electromagnética y la materia en función de la longitud de onda o frecuencia de la radiación. Las ondas de materia y las ondas acústicas también 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 con interferómetro láser (LIGO)

En términos más simples, la espectroscopia es el estudio preciso del color generalizado desde la luz visible a todas las bandas del espectro electromagnético. Históricamente, la espectroscopia se originó como el estudio de la dependencia de la longitud de onda de la absorción por parte de la materia en fase gaseosa de la luz visible dispersada por un prisma.

La espectroscopia, principalmente en el espectro electromagnético, es una herramienta exploratoria fundamental en los campos de la astronomía, la química, la ciencia de los materiales y la física, que permite investigar la composición, la estructura física y la estructura electrónica de la materia a nivel atómico, molecular y escala macro, y sobre distancias astronómicas. Las aplicaciones importantes incluyen la espectroscopia biomédica en las áreas de análisis de tejidos e imágenes médicas.

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 por equipos espectrográficos y otras técnicas para obtener información sobre la estructura y las propiedades de la materia. 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 a analizar, luego se elige una fuente de luz de cualquier rango deseado del espectro de luz, luego la luz atraviesa la muestra hasta una matriz de dispersión (instrumento de rejilla de difracción) y es capturada por un fotodiodo Para fines astronómicos, el telescopio debe estar equipado con el dispositivo de dispersión de luz. Hay varias versiones de esta configuración básica que se pueden emplear.

La espectroscopia como ciencia comenzó con Isaac Newton dividiendo la luz con un prisma y se denominó óptica. Por lo tanto, originalmente fue el estudio de la luz visible a la que llamamos color que más tarde bajo los estudios de James Clerk Maxwell llegó a incluir todo el espectro electromagnético. Aunque el color está involucrado en la espectroscopia, no se equipara con el color de elementos u objetos que involucran la absorción y reflexión de ciertas ondas electromagnéticas para dar a los objetos una sensación de color a nuestros ojos. Más bien, la espectroscopia implica la división de la luz por un prisma, una rejilla de difracción o un instrumento similar, para generar un patrón de línea discreto particular llamado "espectro" único para cada tipo diferente de elemento. La mayoría de los elementos se ponen primero en una fase gaseosa para permitir que se examinen los espectros, aunque hoy en día se pueden usar otros métodos en diferentes fases. Cada elemento que es difractado por un instrumento similar a un prisma muestra un espectro de absorción o un espectro de emisión dependiendo de si el elemento se está enfriando o calentando.

Hasta hace poco, toda la espectroscopia implicaba el estudio de espectros de líneas y la mayoría de espectroscopia todavía lo hace. La espectroscopia vibratoria es la rama de la espectroscopia que estudia los espectros. Sin embargo, los últimos avances en espectroscopia a veces pueden prescindir de la técnica de dispersión. En la espectroscopia bioquímica, se puede recopilar 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 de los tejidos mediante el examen de la dispersión elástica. En tal caso, es el tejido el que actúa como mecanismo de difracción o dispersión.

Los estudios espectroscópicos fueron fundamentales para el desarrollo de la mecánica cuántica, porque los primeros modelos atómicos útiles describieron los espectros del hidrógeno, cuyos modelos incluyen el modelo de Bohr, la ecuación de Schrödinger y la mecánica de matrices, que pueden producir las líneas espectrales del hidrógeno, por lo tanto, proporcionando la base para saltos cuánticos discretos para igualar el espectro de hidrógeno discreto. Además, la explicación de Max Planck de la radiación del cuerpo negro involucraba la espectroscopia porque estaba comparando la longitud de onda de la luz usando un fotómetro con la temperatura de un cuerpo negro. La espectroscopia se usa en química física y analítica porque los átomos y las moléculas tienen espectros únicos. Como resultado, estos espectros se pueden usar para detectar, identificar y cuantificar información sobre los átomos y las moléculas. La espectroscopia también se utiliza en astronomía y teledetección en la Tierra. La mayoría de los telescopios de investigación tienen espectrógrafos. Los espectros medidos se utilizan para determinar la composición química y las propiedades físicas de los objetos astronómicos (como su temperatura, densidad de elementos en una estrella, velocidad, agujeros negros y más). Un uso importante de la espectroscopia es en bioquímica. Las muestras moleculares pueden analizarse para la identificación de especies y el contenido de energía.

Teoría

La teoría central de la espectroscopia es que la luz está compuesta de diferentes longitudes de onda y que cada longitud de onda corresponde a una frecuencia diferente. La importancia de la espectroscopia se centra en el hecho de que cada elemento diferente en la tabla periódica tiene un espectro de luz único descrito por las frecuencias de luz que emite o absorbe, apareciendo constantemente en la misma parte del espectro electromagnético cuando esa luz se difracta. Esto abrió todo un campo de estudio con cualquier cosa que contenga átomos, que es toda materia. La espectroscopia es la clave para comprender las propiedades atómicas de toda la materia. Como tal, la espectroscopia abrió muchos nuevos subcampos de la ciencia aún por descubrir. La idea de que cada elemento atómico tiene su firma espectral única permitió que la espectroscopia se usara en un amplio número de campos, cada uno con un objetivo específico logrado mediante diferentes procedimientos espectroscópicos. El Instituto Nacional de Estándares y Tecnología mantiene una base de datos pública de espectros atómicos que se actualiza continuamente con mediciones precisas.

La ampliación del campo de la espectroscopia se debe al hecho de que cualquier parte del espectro electromagnético puede usarse para analizar una muestra, desde el infrarrojo hasta el ultravioleta, indicando a los científicos diferentes propiedades sobre la misma muestra. Por ejemplo, en el análisis químico, los tipos más comunes de espectroscopia incluyen espectroscopia atómica, espectroscopia infrarroja, espectroscopia ultravioleta y visible, espectroscopia Raman y resonancia magnética nuclear. En resonancia magnética nuclear, la teoría detrás de esto es que la frecuencia es análoga a la resonancia y su correspondiente frecuencia resonante. Las resonancias por frecuencia se caracterizaron por primera vez en sistemas mecánicos como los péndulos que tienen una frecuencia de movimiento famosa por Galileo.

Clasificación de métodos

Una gran difracción que se grata en el corazón del espectrógrafo ESPRESSO ultrapreciso.

La espectroscopia es un campo lo suficientemente amplio como para que existan muchas subdisciplinas, cada una con numerosas implementaciones de técnicas espectroscópicas específicas. Las diversas implementaciones y técnicas se pueden clasificar de varias formas.

Tipo de energía radiativa

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 son típicamente clasificadas por la región de longitud de onda del espectro e incluyen microondas, terahercios, infrarrojos, infrarrojos cercanos, ultravioleta visible, rayos X y espectroscopia gamma.
• Las partículas, debido a sus ondas de Broglie, también pueden ser una fuente de energía radiativa. Tanto la espectroscopia de electrones como de neutrones se utilizan comúnmente. Para una partícula, su energía cinética determina su longitud de onda.
• La espectroscopia acústica implica ondas de presión radiadas.
• Se puede emplear un análisis mecánico dinámico para impartir energía radiante, similar a ondas acústicas, a materiales sólidos.

Naturaleza de la interacción

Los tipos de espectroscopia también se pueden distinguir por la naturaleza de la interacción entre la energía y el material. Estas interacciones incluyen:

• espectroscopia de absorción: La absorción ocurre cuando la energía de la fuente radiativa es absorbida por el material. La absorción se determina a menudo midiendo la fracción de energía transmitida a través del material, con la absorción disminuyendo la porción transmitida.
• Emission spectroscopy: Emission indica que la energía radiativa es liberada por el material. El espectro del cuerpo negro de un material es un espectro de emisiones espontáneo determinado por su temperatura. Esta característica se puede medir en el infrarrojo por instrumentos como el interferómetro de radiación emitido en la atmósfera. La emisión también puede ser inducida por otras fuentes de energía como llamas, chispas, arcos eléctricos o radiación electromagnética en el caso de fluorescencia.
• La dispersión elástica y la espectroscopia de reflexión determinan cómo la radiación incidental se refleja o dispersa por un material. 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: La impedancia es la capacidad de un medio para impedir o frenar la transmisión de la energía. Para aplicaciones ópticas, esto se caracteriza por el índice de refracción.
• Los fenómenos de dispersión inelásticos implican un intercambio de energía entre la radiación y la materia que cambia la longitud de onda de la radiación dispersa. Estos incluyen la dispersión de Raman y Compton.
• La espectroscopia coherente o resonancia son técnicas donde la energía radiativa combina dos estados cuánticos del material en una interacción coherente sostenida por el campo radiante. La coherencia puede ser interrumpida por otras interacciones, como las colisiones de partículas y la transferencia de energía, y tan a menudo requieren que se mantenga la radiación de alta intensidad. La espectroscopia de resonancia magnética nuclear (NMR) es un método de resonancia ampliamente utilizado, y la espectroscopia láser ultrarrápida también es posible en las regiones espectrales infrarrojas y visibles.
• La espectroscopia nuclear son métodos que utilizan las propiedades de núcleos específicos para sondear la estructura local en materia, principalmente materia condensada, moléculas en líquidos o líquidos congelados y biomoléculas.

Tipo de material

Los estudios espectroscópicos están diseñados para que la energía radiante interactúe con tipos específicos de materia.

Átomos

Tabla de comparación de espectros atómicos, de "Spektroskopische Methoden der analytischen Chemie" (1922).

La espectroscopia atómica fue la primera aplicación de la espectroscopia desarrollada. La espectroscopia de absorción atómica y la espectroscopia de emisión atómica involucran 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 a medida que suben y bajan de una órbita electrónica a otra. Los átomos también tienen distintos espectros de rayos X 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 inventar el espectroscopio, Robert Bunsen y Gustav Kirchhoff descubrieron nuevos elementos al observar sus espectros de emisión. Las líneas de absorción atómica se observan en el espectro solar y se denominan líneas de Fraunhofer en honor a su descubridor. Una explicación completa del espectro del hidrógeno fue un éxito temprano de la mecánica cuántica y explicó el cambio de Lamb observado en el espectro del hidrógeno, lo que condujo 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, la espectroscopia de descarga luminiscente, la espectroscopia de plasma inducido por microondas y la espectroscopia de emisión de arco o chispa. Las técnicas para estudiar los espectros de rayos X incluyen la espectroscopia de rayos X y la fluorescencia de rayos X.

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 estados de espín de electrones (resonancia paramagnética de electrones), rotaciones moleculares, vibraciones moleculares y estados electrónicos. Las rotaciones son movimientos colectivos de los núcleos atómicos y normalmente conducen a espectros en las regiones espectrales de microondas y ondas milimétricas. La espectroscopia rotacional y la espectroscopia de microondas son sinónimos. Las vibraciones son movimientos relativos de los núcleos atómicos y se estudian mediante espectroscopia infrarroja y Raman. Las excitaciones electrónicas se estudian mediante espectroscopia visible y ultravioleta, así como espectroscopia de fluorescencia.

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

Cristales y materiales extendidos

La combinación de átomos o moléculas en cristales u otras formas extendidas conduce a la creación de estados energéticos adicionales. Estos estados son numerosos y por lo tanto tienen una alta densidad de estados. Esta alta densidad a menudo hace que los espectros sean más débiles y menos nítidos, es decir, más anchos. Por ejemplo, la radiación de cuerpo negro se debe a los movimientos térmicos de los átomos y moléculas dentro de un material. Las respuestas acústicas y mecánicas también se deben a movimientos colectivos. Sin embargo, los cristales puros pueden tener distintas transiciones espectrales, y la disposición de los cristales también tiene un efecto en los espectros moleculares observados. La estructura reticular regular de los cristales también dispersa rayos X, electrones o neutrones, lo que permite estudios cristalográficos.

Núcleos

Los núcleos también tienen distintos estados de energía que están muy separados y conducen a espectros de rayos gamma. Distintos estados de espín nuclear pueden tener su energía separada por un campo magnético, y esto permite la espectroscopia de resonancia magnética nuclear.

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 audibles y ultrasónicas.
• La espectroscopia de electrones Auger es un método utilizado para estudiar superficies de materiales en una microescala. A menudo se utiliza en conexión con microscopía electrónica.
• Cavity ring-down spectroscopy
• Dicrosismo circular espectroscopia
• La espectroscopia de Raman anti-Stokes es una técnica reciente que tiene alta sensibilidad y aplicaciones poderosas para in vivo espectroscopia e imagen.
• Espectroscopia de fluorescencia atómica de vapor frío
• La espectroscopia de correlación abarca varios tipos de espectroscopía NMR bidimensional.
• La espectroscopia transiente a nivel profundo mide concentración y analiza parámetros de defectos eléctricos activos en materiales semiconductores.
• Dielectric spectroscopy
• Interferometría de doble polarización mide los componentes reales e imaginarios del complejo índice refractivo.
• Electron energy loss spectroscopy in transmission electron microscopy.
• La espectroscopia fenomenológica electrones mide las propiedades fisicoquímicas y características de la estructura electrónica de sistemas moleculares multicomponentes y complejos.
• Electron paramagnetic resonance spectroscopy
• Espectroscopia de fuerza
• La espectroscopia Fourier-transform es un método eficiente para procesar datos de espectro obtenidos mediante interferómetros. La espectroscopia infrarroja de Fourier-transform es una aplicación común de la espectroscopia infrarroja. NMR también emplea Fourier se transforma.
• Gamma spectroscopy
• La espectroscopía de Hadron estudia el espectro de energía/masa de los hadrones según la columna, la paridad y otras propiedades de partículas. La espectroscopia Baryon y la espectroscopia meson son tipos de espectroscopia hadron.
• La imagen hiperespectral es un método para crear una imagen completa del medio ambiente o diversos objetos, cada píxel que contiene un espectro completamente visible, visible cerca de infrarrojos, cerca de infrarrojos o infrarrojos.
• La espectroscopia de túnel de electrones inelásticos utiliza los cambios en la corriente debido a la interacción inelástica de electrones-vibración en energías específicas que también pueden medir transiciones ópticamente prohibidas.
• La dispersión inelástica de neutrones es similar a la espectroscopia Raman, pero utiliza neutrones en lugar de fotones.
• Espectroscopia de descomposición inducida por láser, también llamada espectrometría de plasma inducida por láser
• La espectroscopia láser utiliza láseres tunables y otros tipos de fuentes de emisión coherentes, como osciladores ópticos paramétricos, para la excitación selectiva de especies atómicas o moleculares.
• La espectroscopia masiva es un término histórico utilizado para referirse a la espectrometría masiva. La recomendación actual es utilizar este último mandato. El término "masa espectroscopia" se originó en el uso de pantallas de fósforo para detectar iones.
• La espectroscopia Mössbauer son las propiedades de los núcleos isotópicos específicos en diferentes ambientes atómicos analizando la absorción resonante de los rayos gamma. Vea también Mössbauer efecto.
• Computación óptica multivariada es una técnica de detección comprimida óptica, generalmente utilizada en entornos duros, que calcula directamente la información química de un espectro como salida analógica.
• Neutron spin echo spectroscopy mide dinámicas internas en proteínas y otros sistemas de materia blanda.
• La correlación angular perturmada (PAC) utiliza núcleos radiactivos como sonda para estudiar campos eléctricos y magnéticos (interacciones hiperfinales) en cristales (materia condensada) y biomoléculas.
• La espectroscopia fotoacústica mide las ondas sonoras producidas sobre la absorción de la radiación.
• Fotoemission spectroscopy
• La espectroscopia fototérmica mide el calor evolucionado sobre la absorción de la radiación.
• La espectroscopia de pump-probe puede utilizar pulsos láser ultrarrápidos para medir los intermediarios de reacción en la escala de tiempo femtosecond.
• La espectroscopia de actividad óptica de Raman explota efectos de dispersión de Raman y actividad óptica para revelar información detallada sobre centros quiral en moléculas.
• Espectroscopia de Raman
• Espectroscopia saturada
• Espectroscopia de túneles escaneos
• Espectrofotometría
• Ejecutar la espectroscopia del ruido traza fluctuaciones espontáneas de giros electrónicos y nucleares.
• La espectroscopia resolviendo el tiempo mide las tasas de desintegración de estados excitados utilizando diversos métodos espectroscópicos.
• Espectroscopia de estiramiento del tiempo
• La espectroscopia infrarroja térmica mide la radiación térmica emitida de materiales y superficies y se utiliza para determinar el tipo de bonos presentes en una muestra así como su entorno de celo. Las técnicas son ampliamente utilizadas por químicos orgánicos, mineralogistas y científicos planetarios.
• La espectroscopia de grapación transitoria mide la propagación de cuasiparticle. Puede rastrear los cambios en los materiales metálicos como se irradian.
• espectroscopia fotoelectrónica ultravioleta
• Espectroscopia visual ultravioleta
• Vibrational circular dichroism spectroscopy
• Video spectroscopy
• espectroscopia fotoelectrónica de rayos X

Aplicaciones

UVES es un espectrógrafo de alta resolución en el Telescopio Muy Grande.

Existen varias aplicaciones de la espectroscopia en los campos de la medicina, la física, la química y la astronomía. Aprovechando las propiedades de absorbancia y con la emisión astronómica, la espectroscopia se puede utilizar para identificar ciertos estados de la naturaleza. Los usos de la espectroscopia en tantos campos diferentes y para tantas aplicaciones diferentes han dado lugar a subcampos científicos especializados. Tales ejemplos incluyen:

• Determinación de la estructura atómica de una muestra
• Estudiando líneas de emisión espectral del sol y galaxias distantes
• Exploración espacial
• Monitoreo estricto de compuestos usando fibras ópticas.
• Estimación de tiempos de exposición de madera templada utilizando espectroscopia infrarroja cercana.
• Medición de diferentes compuestos en muestras de alimentos por espectros visibles e infrarrojos de absorción.
• Medición de compuestos tóxicos en muestras de sangre
• Análisis elemental no destructivo por fluorescencia de rayos X.
• Investigación de estructura electrónica con diversos espectroscopios.
• Redshift para determinar la velocidad y velocidad de un objeto distante
• Determinación de la estructura metabólica de un músculo
• Vigilancia del contenido disuelto de oxígeno en los ecosistemas marinos y de agua dulce
• Alteración de la estructura de los medicamentos para mejorar la eficacia
• Caracterización de las proteínas
• Análisis de gas respiratorio en hospitales
• Encontrar las propiedades físicas de una estrella distante o exoplanet cercano utilizando el efecto relativo Doppler.
• Sexo en ovo: la espectroscopia permite determinar el sexo del óvulo mientras se escoge. Desarrollado por empresas francesas y alemanas, ambos países decidieron prohibir el culling de pollitos, principalmente a través de un macerador, en 2022.

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 envió a la Royal Society, Isaac Newton describió un experimento en el que permitió que la luz del sol pasara a través de un pequeño orificio y luego a través de un prisma. Newton descubrió que la luz del sol, que nos parece blanca, en realidad está formada por una mezcla de todos los colores del arcoíris. Newton aplicó la palabra "espectro" para describir el arco iris de colores que se combinan para formar 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 del Sol en una pantalla. Al usarlo, Wollaston se dio cuenta de que los colores no se distribuían uniformemente, sino que faltaban parches de colores, que aparecían como bandas oscuras en el espectro." 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 importante en la química, la física y la astronomía. Según Fraknoi y Morrison, "Más tarde, en 1815, el físico alemán Joseph Fraunhofer también examinó el espectro solar y encontró alrededor de 600 de esas líneas oscuras (colores faltantes), que ahora se conocen como líneas de Fraunhofer o líneas de absorción".;

En los sistemas mecánicos cuánticos, la resonancia análoga es un acoplamiento de dos estados estacionarios mecánicos cuánticos de un sistema, como un átomo, 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. La energía E de un fotón está relacionada con su frecuencia ν por E = hν donde h es la constante de Planck, por lo que un espectro de la respuesta del sistema frente a la frecuencia del fotón alcanzará su punto máximo en la frecuencia o energía resonante. Las partículas como los electrones y los neutrones tienen una relación comparable, las relaciones de De Broglie, entre su energía cinética y su longitud de onda y frecuencia y, por lo tanto, también pueden provocar interacciones resonantes.

Los espectros de átomos y moléculas a menudo consisten 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 con 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 las líneas espectrales también pueden superponerse y parecer una sola transición si la densidad de los estados de energía es lo suficientemente alta. Las series de líneas nombradas incluyen la serie principal, nítida, difusa y fundamental.