métodos basados en la dispersión de la radiación
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Anlisis Instrumental, 12/13 - Captulo II, Mtodos de espectroscopia molecular
Olga Domnguez Renedo-M. Asuncin Alonso Lomillo 1
Captulo 2.- Mtodos de espectroscopia molecular
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Tema 6.- Mtodos basados en la dispersin de la radiacin
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Tema 6.- Mtodos basados en la dispersin de la radiacin
ndice
6.1.- Fundamentos del fenmeno de dispersin de la radiacin ....................................... 3
6.1.1.- Dispersin por partculas grandes ..................................................................... 3
6.1.2.- Dispersin por partculas pequeas ................................................................... 5
6.1.2.1.- Dispersin Rayleigh ................................................................................... 5
6.1.2.2.- Dispersin Raman ...................................................................................... 7
6.1.2.3.- Modelo ondulatorio de la dispersin Raman y Rayleigh ........................... 9
6.2.- Turbidimetra y nefelometra ................................................................................. 10
6.2.1.- Introduccin .................................................................................................... 11
6.2.2.- Turbidimetra ................................................................................................... 11
6.2.3.- Nefelometra .................................................................................................... 12
6.2.4.- Instrumentacin en turbidimetra y nefelometra ............................................ 13
6.2.4.1.- Fuentes de radiacin ................................................................................. 13
6.2.4.2.- Celdas de muestra .................................................................................... 13
6.2.4.4.- Detectores ................................................................................................. 13
6.2.4.5.- Instrumentos: turbidmetros y nefelmetros ............................................ 14
6.3.- Espectroscopia Raman ........................................................................................... 15
6.3.1.- Introduccin .................................................................................................... 15
6.3.2.- Instrumentacin en espectroscopia Raman ..................................................... 16
6.3.2.1.- Fuentes de radiacin ................................................................................. 16
6.3.2.2.- Sistemas de iluminacin de la muestra .................................................... 17
6.3.2.3.- Espectrmetros Raman ............................................................................. 20
6.3.3.- Comparacin de la espectroscopia Raman con los mtodos basados en la
absorcin molecular en el infrarrojo ........................................................................... 22
6.3.4.- Otros tipos de espectroscopia Raman.............................................................. 24
6.3.4.1.- Espectroscopia Raman de resonancia ...................................................... 24
6.3.4.2.- Espectroscopia Raman de superficie aumentada ..................................... 26
6.3.4.3.- Espectroscopia Raman no lineal .............................................................. 27
6.4.- Referencias ............................................................................................................. 29
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6.1.- Fundamentos del fenmeno de dispersin de la radiacin
En este tema se tratarn los mtodos basados en el fenmeno de interaccin de la
radiacin electromagntica con la materia conocido como dispersin.
Tal y como se vio en el tema anterior, responder a preguntas obvias como por
qu el cielo es azul? o por qu se torna rojo al atardecer? han permitido el desarrollo de
la ciencia. La respuesta a estas preguntas se encuentra en un fenmeno de interaccin de
la radiacin electromagntica con la materia conocido como dispersin.
La dispersin puede explicarse como un proceso de interaccin de la radiacin
electromagntica con partculas de pequeo tamao, que da lugar a oscilaciones en las
cargas elctricas de la materia y, los dipolos as inducidos emiten ondas secundarias en
todas las direcciones [1].
E = 0 hiEi 0
Dipolo inducido
La dispersin causada por la materia puede ser de diferente naturaleza segn sea
el tamao de las partculas implicadas. En los siguientes apartados se describen los
diferentes tipos de dispersin.
6.1.1.- Dispersin por partculas grandes
La dispersin por partculas grandes es conocida como dispersin Tyndall y,
toma dicho nombre de su descubridor, el fsico irlands John Tyndall. Este fenmeno de
dispersin se presenta cuando el dimetro de las partculas que producen la dispersin
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es igual o mayor que la longitud de onda de la radiacin
incidente. Se trata de un tipo de dispersin provocada por
partculas de dimensiones coloidales y llega a ser tan intensa
que el ojo humano puede verla [2, 3]. La medida de la
radiacin dispersada sirve para determinar el tamao y la
configuracin de ciertas molculas polimricas y partculas
coloidales [2].
En el caso de la dispersin Tyndall, la intensidad de dispersin alrededor de las
partculas grandes se distribuye de modo no homogneo debido a interferencias
constructivas y destructivas entre las ondas (Fig. 6.1.).
I0 ()
Partcula grande
Radiacin incidenteID ()
Radiacin dispersada
Figura 6.1.-Distribucin de intensidades de la dispersin producida por una partcula grande
(Dispersin Tyndall)
Por otra parte, la longitud de onda de la radiacin dispersada es idntica a la de
la radiacin incidente lo que impide su empleo en anlisis cualitativo, ya que la
radiacin dispersada no es caracterstica de una especie en particular [3].
El valor de la intensidad dispersada depende de varios
factores entre ellos la longitud de onda de la radiacin incidente de
modo que, con frecuencia, la intensidad de la radiacin dispersada
es inversamente proporcional a la cuarta potencia de la longitud de
onda, de dicha radiacin incidente [3].
John Tyndall
(1820 -1893)
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6.1.2.- Dispersin por partculas pequeas
La dispersin por partculas pequeas puede ser de dos tipos: dispersin
Rayleigh y dispersin Raman. Ambos fenmenos tienen lugar cuando el dimetro de las
partculas causantes de la dispersin es pequeo en comparacin con la longitud de
onda de la radiacin incidente. Los tipos de dispersin tienen lugar cuando existen
molculas en disolucin e iones poliatmicos [3].
6.1.2.1.- Dispersin Rayleigh
El fenmeno conocido como dispersin Rayleigh
toma tambin su nombre de su descubridor, el fsico
britnico John Rayleigh. Al igual que en el caso de la
dispersin Tyndall la radiacin dispersada conserva la
longitud de onda de la radiacin incidente pero, a diferencia
que en la Tyndall, en la dispersin Rayleigh la distribucin
de intensidades dispersadas es simtrica (Fig. 6.2.) [1].
I0 ()
ID
Partcula de reducidas dimensiones
Radiacin incidente
Radiacin dispersada
Figura 6.2.-Distribucin de intensidades de la dispersin producida por una partcula
pequea (Dispersin Rayleigh)
La intensidad de la radiacin dispersada se relaciona fcilmente con la longitud
de onda de la radiacin incidente, con las dimensiones de las partculas dispersantes y
con la polarizabilidad [1]:
John William Strutt Rayleigh
(1842 -1919)
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0
2
24
24
D I)cos1(r
8I
[Ecuacin 6.1.]
Donde: = polarizabilidad de la partcula
= longitud de onda de la radiacin incidente
I0= Intensidad incidente
= ngulo entre el rayo incidente y el dispersado
r = distancia entre el centro de dispersin al detector
Los cambios energticos que ocurren durante la dispersin
Rayleigh pueden verse en la figura 6.3. Normalmente, la partcula
(molcula o ion poliatmico) causante de la dispersin se encuentra
en el estado energtico vibracional ms bajo del estado electrnico
fundamental. Cuando un fotn interacciona con dicha partcula
produce un aumento en la energa de la misma. El aumento de
energa es igual a la energa del fotn (hi). La partcula vuelve
inmediatamente a un estado de energa inferior, emitiendo la correspondiente cantidad
de energa idntica a la radiacin incidente. Podemos ver como en la dispersin
Rayleigh la intensidad de la radiacin dispersada conserva la frecuencia y por tanto la
longitud de onda de la radiacin incidente [1-3].
Estado electrnico fundamental
hi hi
Estado virtual
Estado electrnico excitado
Estados vibracionales
Radiacinincidente
Radiacindispersada
Figura 6.3.-Origen de la dispersin Rayleigh
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6.1.2.2.- Dispersin Raman
Un tercer tipo de dispersin es la conocida como
dispersin Raman. El efecto Raman fue descubierto, en
1928, por el fsico indio Chandrasekhara Venkata Raman
lo que supuso la obtencin del premio Nobel de fsica en
1930. Raman observ que cuando un haz de radiacin
monocromtica incide sobre un conjunto de molculas, parte de esta radiacin es
dispersada; la mayor parte de esta radiacin dispersada posee la misma frecuencia que
la radiacin incidente (dispersin Rayleigh) pero una pequea parte presenta una
variacin de frecuencia. La diferencia entre estas nuevas frecuencias y la frecuencia de
la radiacin original es caracterstica de la molcula irradiada y numricamente igual a
algunas frecuencias de vibracin y rotacin de la molcula [1].
Los cambios energticos que ocurren durante la dispersin Raman pueden verse
en las figuras 6.4 y 6.5. Al igual que en el caso anterior, cuando un fotn interacciona
con la partcula dispersante sta aumenta su energa alcanzando un estado energtico
virtual. Inmediatamente la partcula puede perder energa pero retornando esta vez a un
nivel vibracional superior al fundamental, en este caso la frecuencia de la radiacin
emitida es diferente a la de la radiacin incidente. De hecho, la frecuencia de la
radiacin dispersada es menor que la del fotn incidente. Este fenmeno de dispersin
recibe el nombre de dispersin Raman Stokes (Fig. 6.4.) [1, 2].
Estado electrnico fundamental
hi hS
Estado virtual
Estado electrnico excitado
Estados vibracionales
Radiacin
incidente
Radiacin
dispersada
hv
s= i-v
s< i
Figura 6.4.-Origen de la dispersin Raman Stokes
ChandrasekharVenkata Raman
(1888-1970)
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Por otra parte, si la partcula causante de la dispersin se encuentra inicialmente
en un nivel vibracional superior al fundamental cuando la partcula pierda energa,
despus de interaccionar con el fotn incidente, la dispersin puede tener lugar de modo
que la partcula regrese a un nivel vibracional inferior al de partida. Nos encontramos
ante la denominada dispersin Raman anti-Stokes (Fig. 6.5.). En este caso la radiacin
dispersada efectivamente tendr una frecuencia diferente a la incidente siendo de hecho
superior.
Estado electrnico fundamental
hi has
Estado virtual
Estado electrnico excitado
Estados vibracionales
Radiacin
incidente
Radiacin
dispersada
hv
as= i+v
as> i
Figura 6.5.-Origen de la dispersin Raman anti-Stokes
Es mucho ms probable que ocurra la dispersin Rayleigh que la dispersin
Raman debido a que el fenmeno ms probable es la transferencia de energa a
molculas en el estado fundamental y la reemisin al retornar esas molculas al estado
fundamental. Del mismo modo, la emisin Stokes est mucho ms favorecida que la
anti-Stokes [2].
El cambio en la frecuencia de la radiacin emitida mediante dispersin Raman
respecto a la de la radiacin incidente es importante para el anlisis. Debido a que este
cambio en la frecuencia se corresponde a la diferencia de energa entre niveles
vibracionales de la molcula, la tcnica presenta informacin caracterstica de dicha
molcula y puede emplearse en anlisis cualitativo. Adems, dicha informacin es
comparable pero no idntica a la subministrada por las tcnicas basadas en la absorcin
en el infrarrojo [3].
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6.1.2.3.- Modelo ondulatorio de la dispersin Raman y Rayleigh
La radiacin electromagntica que incide sobre una disolucin de un analito
presenta un campo elctrico conocido cuya fuerza vara con la frecuencia de vibracin
de dicha radiacin (i). El campo elctrico de esta radiacin se puede representar
entonces mediante la ecuacin,
)2(cos0 tEE ii [Ecuacin 6.2.]
dondeE0es la amplitud de la onda.
Cuando este campo elctrico interacciona con la nube electrnica de un enlace
del analito, induce un momento dipolar en el enlace que viene dado por,
...32 iii EEE [Ecuacin 6.3.]
Debido a que es normalmente mayor que que es a su vez mayor que , etc.,
solamente el primer sumando de la ecuacin puede considerarse importante. Por lo tanto
la Ec. 6.3 queda simplificada segn,
)2(cos0 tEE ii [Ecuacin 6.4.]
donde es la polarizabilidad del enlace y es una medida de la deformabilidad del
mismo cuando se encuentra en un campo elctrico. Se genera entonces un dipolo
inducido oscilante que emite radiacin electromagntica en todas direcciones.
Para que un enlace sea activo en espectroscopia Raman, la polarizabilidad del
enlace ha de variar en funcin de la distancia entre los ncleos, de acuerdo con la
siguiente ecuacin,
r
)rr( eq0
[Ecuacin 6.5.]
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donde 0es la polarizabilidad del enlace a una distancia internuclear de equilibrio (req)
y r es la separacin internuclear en un instante dado. Naturalmente la separacin
internuclear vara con la frecuencia de la vibracin (vib), segn la siguiente expresin,
)t2(cosrrr vibmeq [Ecuacin 6.6.]
donde rmes la separacin internuclear mxima en relacin con la posicin de equilibrio.
Sustituyendo la Ec. 6.6 en la Ec. 6.5 se obtiene,
)2(cos0 trr
vibm
[Ecuacin 6.7.]
Sustituyendo la [Ecuacin 6.7.] en la [Ecuacin 6.4.], se puede obtener una
expresin para el momento dipolar inducido, . De esta forma,
)2(cos)2(cos)2(cos 000 ivibmi tr
rEtE
[Ecuacin 6.8.]
Operando en esta expresin se obtiene,
]t)(2[cosr
r2
E]t)(2[cos
rr
2
E)t2(cosE vibim
0vibim
0i00
[Ecuacin 6.9.]
El primer trmino en esta ecuacin representa la dispersin Rayleigh, que tiene
lugar a una frecuencia de excitacin i.El segundo y el tercer trmino de la[Ecuacin
6.9.]corresponde a las frecuencias Stokes y anti-Stokes, respectivamente.
6.2.- Turbidimetra y nefelometra
Este apartado est dedicado al estudio de dos tcnicas basadas en el fenmeno de
la dispersin de la radiacin electromagntica: turbidimetra y nefelometra.
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6.2.1.- Introduccin
La turbidimetra y la nefelometra son tcnicas analticas basadas en la
dispersin de la radiacin electromagntica por partculas en suspensin en el seno de
una disolucin. La diferencia entre estas dos tcnicas se encuentra en la forma de medir
la radiacin dispersada (Fig. 6.6.). En la turbidimetra se mide la disminucin de la
intensidad de la radiacin emitida por la fuente al atravesar la disolucin de la muestra,
mientras que en la nefelometra se mide la radiacin dispersada segn una direccin que
forma un ngulo, generalmente de 90, con la radiacin incidente [1].
Muestra
Radiacin incidente Radiacin transmitida
Turbidimetra
Radiacin dispersada
Nefelometra
I0 I
I0>IID
Figura 6.6.-Turbidimetra y nefelometra
6.2.2.- Turbidimetra
Las medidas turbidimtricas se basan en la medida del decrecimiento de la
intensidad de la radiacin incidente causada por la dispersin. Esta medida es
completamente anloga a las medidas absortivas. Ahora bien la reduccin de la
intensidad es debida en esta ocasin a la dispersin y no a la absorcin de radiacinelectromagntica [3].
A concentraciones bajas de analito dispersante es posible definir una ecuacin
similar a la ya explicada ley de Beer (Seccin 3.3), que describe la relacin entre la
intensidad de la radiacin incidente (I0), la intensidad de la radiacin transmitida (I) y,
por lo tanto no dispersada, y la concentracin de las partculas dispersantes (C):
kbC
logS0 [Ecuacin 6.10.]
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donde Shace referencia a la turbidancia debida a la dispersin (trmino anlogo a la
absorbancia), k es una constante de proporcionalidad, a veces designada como
coeficiente de turbicidad y bes el camino ptico. El valor de kdepende del tamao y
forma de la partcula, de la longitud de onda y de los ndices de refraccin de las
partculas en suspensin y del medio [1].
Las medidas turbidimtricas son ms precisas cuando la relacinI/I0se aleja del
valor 0 o de 1. Debido a que las dispersiones Rayleigh y Raman producen pequeos
cambios en la intensidad de la radiacin incidente, las medidas turbidimtricas no
suelen basarse en este tipo de dispersiones sino en la ya descrita dispersin Tyndall [3].
6.2.3.- Nefelometra
Las medidas nefelomtricas son similares a las medidas fluorimtricas ya
descritas (Seccin 4.3.2). En esta ocasin se mide la radiacin dispersada que forma un
ngulo de 90 con la radiacin incidente [3].
Al igual que en el caso de la fluorescencia, en nefelometra es posible definir una
ecuacin que relacione la intensidad de la radiacin dispersada (ID), la intensidad de la
radiacin incidente (I0), y la concentracin de las partculas causantes de la dispersin
[3],
Ck 0D [Ecuacin 6.1.]
donde k es una constante del sistema determinada empricamente. Puede verse que al
igual que en el caso de las medidas de fluorescencia, la intensidad medida es
proporcional a la intensidad de la radiacin incidente y a la concentracin de analito.
Cuando se trabaja con concentraciones bajas de partculas dispersantes es mejor
emplear una elevada intensidad de radiacin incidente. En el caso de la nefelometra es
posible emplear los tres tipos de dispersin que se han descrito en el tema (Rayleigh,
Tyndall y Raman) [3].
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6.2.4.- Instrumentacin en turbidimetra y nefelometra
Muchos de los instrumentos empleados en turbidimetra y nefelometra son
similares a los vistos para las tcnicas espectrofotomtricas descritas en temas
anteriores. Por lo tanto, los siguientes apartados se centrarn en la descripcin de
aquellos detalles ms caractersticos o propios de estas tcnicas.
6.2.4.1.- Fuentes de radiacin
En el caso de los turbidmetros es necesario emplear fuentes monocromticas y
emplear monocromadores que reduzcan al mnimo la absorcin. En el caso de los
nefelmetros puede emplearse radiacin policromtica. En ambos casos se debe
disponer de una fuente de intensidad elevada y, siempre que sea posible, se debe
trabajar a longitudes de onda cortas ya que ello aumenta la eficacia de la dispersin.
Normalmente se emplean fuentes que emiten radiacin de la zona del visible. Una de las
fuentes habituales es la de vapor de mercurio, junto con filtros que permitan aislar una
de las lneas. Otra fuente comn es la lmpara de wolframio con monocromador o
filtros [1].
6.2.4.2.- Celdas de muestra
Generalmente se emplean cubetas cilndricas, pero es preferible
disponer de cubetas con caras planas ya que as se reducen al mnimo las
reflexiones y dispersiones mltiples debidas a la cubeta [1].
6.2.4.4.- Detectores
En el caso de la turbidimetra pueden emplearse detectores corrientes, tales
como los fototubos de vaco, pero en el caso de la nefelometra deben utilizarse tubos
fotomultiplicadores, ya que la intensidad de la radiacin dispersada suele ser muy
pequea [1].
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6.2.4.5.- Instrumentos: turbidmetros y nefelmetros
Las medidas turbidimtricas se realizan con un sistema intrumental denominado
turbidmetro similar a los espectrofotmetros descritos en temas anteriores (Fig. 6.7.).
Fuente
Muestra
Detector
Selector de
longitud de onda
Registro
Figura 6.7.-Esquema de un instrumento empleado para la realizacin de medidas
turbidimtricas
En cuanto a las medidas nefelomtricas, en la figura 6.8 se muestra un esquema
de un nefelmetro en el que puede verse como, efectivamente, el detector se encuentraen una posicin situada formando 90 con la radiacin incidente.
Fuente Muestra
Detector
Selector delongitud de onda
Registro
Selector de
longitud
de onda
Figura 6.8.-Esquema de un instrumento empleado para la realizacin de medidas
nefelomtricas
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6.3.- Espectroscopia Raman
En los apartados anteriores se han descrito dos tcnicas, turbidimetra y
nefelometra, empleadas en el anlisis cuantitativo. Sin embargo, dichas tcnicas no sontiles en anlisis cualitativo, ya que el tipo de dispersin en el que se basan (Rayleigh y
Tyndall) se caracteriza por la ausencia de variacin de longitud de onda entre la
radiacin dispersada y la radiacin incidente. En este apartado se har referencia a un
tipo de tcnica basada en la dispersin Raman, til en anlisis cualitativo y cuantitativo,
que por lo tanto, permite no solo la cuantificacin sino tambin la identificacin de las
especies presentes en una muestra.
6.3.1.- Introduccin
Los espectros Raman se obtienen al irradiar una muestra con una potente fuente
lser de radiacin monocromtica visible o infrarroja. Durante la irradiacin, se registra
el espectro de la radiacin dispersada un cierto ngulo (por lo general 90 grados) con un
espectrmetro adecuado [2].
En la figura 6.9 se representa una parte del espectro Raman, obtenida al irradiar
una muestra de tetracloruro de carbono con un intenso haz de un lser de argn de
longitud de onda 488 nm (20.492 cm-1). La radiacin medida es de tres tipos: dispersin
Stokes, dispersin anti-Stokes y dispersin Rayleigh. [2].
Como es usual en los espectros Raman, en la abscisa de la figura 6.9 se
representa el desplazamiento del nmero de onda , que se define como la diferencia,
en nmeros de onda (cm-1), entre la radiacin observada y la de la fuente. En dicha
figura puede observarse que existen tres picos Raman a cada lado del pico Rayleigh, y
que el modelo de desplazamiento es idntico en ambos lados. Es decir, las lneas Stokes
se encuentran a unos nmeros de onda inferiores al del pico Rayleigh en 218, 314 y 459
cm-1, mientras que los picos anti-Stokes aparecen a nmeros de onda superiores al de la
fuente en 218, 314 y 459 cm-1. Es bastante general que las lneas anti-Stokes sean
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apreciablemente menos intensas que las correspondientes lneas Stokes. Por esta razn
nicamente se suele utilizar la parte Stokes del espectro [2].
0
Intensidad
-218 -314 -459
218
314
459
dispersadafuente Figura 6.9.-Espectro Raman del CCl4excitado con una radiacin lser de 488 nm.
6.3.2.- Instrumentacin en espectroscopia Raman
La funcin primaria de un instrumento Raman es rechazar limpiamente la
intensa dispersin Rayleigh y detectar los componentes dbiles de frecuencias Raman
desplazadas [4].
Los instrumentos empleados en espectroscopia Raman moderna constan de tres
componentes: una fuente lser, un sistema de iluminacin de la muestra y un
espectrmetro adecuado.
6.3.2.1.- Fuentes de radiacin
Las fuentes utilizadas en la espectroscopia Raman moderna son casi siemprelseres debido a su alta intensidad, necesaria para producir dispersin Raman lo
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suficientemente intensa como para poderse medir con una relacin seal/ruido
razonable. En la Tabla 6.1 se enumeran cinco de los lseres ms utilizados en
espectroscopia Raman [2].
Tabla 6.1.-Algunas fuentes lser comunes en espectroscopia Raman
Tipo de fuente Longitud de onda, nm
Ion argn 488,0 o 514,5
Ion criptn 530,9 o 647,1
Helio/nen 632,8
Lser de diodos 782 o 830
Nd/YAG 1064
Debido a que la intensidad de la dispersin Raman aumenta con el inverso de la
cuarta potencia de la longitud de onda, las fuentes de argn y criptn, que emiten en la
regin azul y verde del espectro, presentan ventajas sobre las otras fuentes mostradas en
la tabla. Sin embargo, las fuentes del infrarrojo cercano presentan dos ventajas
importantes sobre los lseres de longitud de onda ms corta. La primera es que pueden
funcionar a potencias muy superiores, sin producir fotodescomposicin de la muestra.
La segunda es que no son lo suficientemente energticas para poblar, en la mayora de
las molculas, un nmero significativo de estados electrnicos excitados capaces de
producir fluorescencia. Como consecuencia con estos lseres, la fluorescencia es, en
general, mucho menos intensa o inexistente [2].
6.3.2.2.- Sistemas de iluminacin de la muestra
La manipulacin de las muestras en espectroscopia Raman es ms sencilla que
en espectroscopia de infrarrojo, debido a que puede emplearse vidrio para las ventanas,
lentes y otros componentes pticos, en lugar de los haluros cristalinos que resultan ms
frgiles y menos estables a los componentes atmosfricos [2].
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En funcin de la naturaleza de la muestra a analizar se pueden definir diferentes
tipos de sistemas de iluminacin.
Muestras lquidas
Las muestras lquidas pueden ser analizadas empleando celdas tan pequeas
como un simple capilar de vidrio (Fig. 6.10a.). El empleo de estas reducidas
dimensiones es posible debido a que la fuente lser se puede enfocar con facilidad sobre
una zona pequea de la muestra y, a su vez, la radiacin emitida enfocarla eficazmente
sobre una rendija. Una celda cilndrica de mayores dimensiones, como la mostrada en la
figura 6.10b, puede emplearse para reducir el calentamiento local, particularmente en el
caso de especies absorbentes. El rayo lser es focalizado en una zona cerca de la pared
de la celda para minimizar la absorcin. Adems la reduccin del calor localizado puede
realizarse tambin rotando la celda [5].
(a) (b)
Figura 6.10.-Sistemas de iluminacin para espectroscopa Raman de muestras lquidas. En (a)
capilares, (b) celdas cilndricas
Muestras gaseosas
El anlisis de muestras gaseosas se lleva a cabo normalmente en tubos de vidrio
de dimetros comprendidos entre 1 y 2 cm (Fig. 6.11.). Esta cubeta se coloca a menudo
entre los espejos de la fuente lser, lo que da lugar a un aumento de la potencia de
excitacin [5].
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Figura 6.11- Sistema de iluminacin para espectroscopa Raman de muestras gaseosas
Muestras slidas
Los espectros Raman de muestras slidas se adquieren
con frecuencia mediante el llenado de una pequea cavidad o
un capilar con la muestra. En algunos casos es posible emplear
perlas de KBr similares a las empleadas en infrarrojo [2, 5].
Muestreo con fibra ptica
Una de las ventajas de la espectroscopia Raman es que se emplea radiacin del
visible o del infrarrojo cercano que puede ser transmitida a una gran distancia gracias al
empleo de fibra ptica. Una fibra ptica puede introducirse en la disolucin de la
muestra o ser empleada para iluminar slidos. Una segunda fibra recolecta la dispersin
Raman producida y la transporta a la entrada del espectrmetro (Fig. 6.12.).
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Monocromador Detector
Lser
MuestraMicroscopio
Fibra de
excitacin
Fibra de
emisin
Figura 6.12.-Instrumento Raman con fibra ptica
6.3.2.3.- Espectrmetros Raman
Hasta comienzos de los aos ochenta, los espectrmetros Raman tenan diseos
semejantes y utilizaban el mismo tipo de componentes que los instrumentos dispersivos
ultravioleta-visible clsicos. La mayora empleaban sistemas de doble red para
minimizar la radiacin no deseable que llega al detector. Como detectores se utilizaban
fotomultiplicadores. Sin embargo, en la actualidad, la mayora de los espectrmetros
Raman que se comercializan son instrumentos de transformada de Fourier con
detectores de germanio o instrumentos multicanal con dispositivos de acoplamiento de
carga [2].
En la figura 6.13 se muestra un esquema de un instrumento de transformada de
Fourier empleado en Raman. Se trata de un sistema que contiene un interfermetro
similar al empleado en espectroscopia de infrarrojo. El instrumento cuenta adems con
filtros para evitar la llegada al detector de radiacin no deseada [2].
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Lser
Muestra
Espejo fijo
Espejo mvil
Detector
Divisor del haz
Filtro
Figura 6.13.-Instrumento Raman con transformada de Fourier
Otro ejemplo tpico de espectrmetro Raman es el mostrado en la figura 6.14.
Este dispositivo emplea un detector de acoplamiento de carga. El dispositivo cuenta
adems con un sistema de muestreo basado en el empleo de fibra ptica [2].
Lser
Detector CCD
Red
Muestra
Sonda para
muestra
Filtro
Figura 6.14-Instrumento Raman dispersivo con un dispositivo de acoplamiento de carga(CCD)
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6.3.3.- Comparacin de la espectroscopia Raman con los mtodos basados en la
absorcin molecular en el infrarrojo
La diferencia de energa observada para un enlace determinado en el
experimento Raman debera ser idntica a la energa de una banda de absorcin en el
infrarrojo, siempre que los modos de vibracin implicados sean activos tanto en la
absorcin en el infrarrojo como en la dispersin Raman.
hi hs
Estado virtual
Estados vibracionales
hv
Absorcin IR Dispersin Raman
hv
En efecto, para una especie determinada, el espectro de dispersin Raman y el
espectro de absorcin en el infrarrojo, con frecuencia, suelen parecerse mucho. Sin
embargo, hay suficientes diferencias entre los tipos de grupos funcionales que son
activos en el infrarrojo y los que lo son en Raman, como para que ambas tcnicas no
resulten competitivas sino complementarias. No es sorprendente encontrar diferencias
entre un espectro Raman y un infrarrojo si se considera que los mecanismos bsicos,
aunque depende de los mismos modos vibracionales, surgen de procesos que son
mecansticamente diferentes [2].
Debido a esta diferencia fundamental en el mecanismo, la actividad Raman de
un modo vibracional determinado puede diferir marcadamente de su actividad en el
infrarrojo. En este sentido, la espectroscopia Raman puede utilizarse para detectar y
analizar molculas inactivas en el infarrojo, como las diatmicas homonucleares como
el N2. Tal y como se observa en la figura 6.15, la molcula N2 es inactiva en el
infrarrojo (la vibracin no produce un cambio en el momento dipolar de la molcula)
pero, es activa en Raman (la vibracin produce un cambio de polarizabilidad) [2].
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NN NN
N NN N
N NN N
=0
=0
=0 NN NN
N NN N
N NN N
(a) (b)
Figura 6.15-Variacin (a) del momento dipolar, (b) de la polarizabilidad con el modo de
vibracin de tensin en la molcula de N2
Por otra parte, ambas tcnicas pueden resultar complementarias en el estudio de
determinadas molculas que presente diferentes modos de vibracin, algunos de los
cuales pueden ser activos en el infrarrojo pero no en Raman y viceversa, tal y como
puede verse en las figuras 6.16 y 6.17 para la molcula de CO2.
O OCO OC
O OCO OC
O OCO OC
=0
=0
=0
O OCO OC
O OCO OC
O OCO OC
(a) (b)
Figura 6.16-Variacin (a) del momento dipolar, (b) de la polarizabilidad con el modo de
vibracin de tensin simtrico en la molcula de CO2
O OCO OC =0
0
0
O O
O C OO C O
C
O OCO OC
=cte
=cte
O O
O C O
C
(a) (b)
Figura 6.17-Variacin (a) del momento dipolar, (b) de la polarizabilidad con el modo devibracin de tensin asimtrico en la molcula de CO2
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En otros casos, los modos de vibracin pueden ser activos tanto en Raman como
en infrarrojo. Por ejemplo, todos los modos de vibracin del dixido de azufre producen
picos Raman y en el infrarrojo. Sin embargo, el tamao de los picos difiere debido a que
la probabilidad de transiciones es distinta para los dos mecanismos. Por ello, en algunas
molculas complicadas, cuya baja simetra no prohbe la actividad, tanto en infrarrojo
como en Raman, algunos modos vibracionales son inherentemente ms intensos en el
efecto Raman, y ms dbiles, o nulos, en los espectros de infrarrojo [2, 4].
Para resolver algunos problemas el infrarrojo es una herramienta superior, sin
embargo, para otros el Raman proporciona espectros ms tiles. Una ventaja importante
de los espectros Raman con respecto a los del infrarrojo, se debe al hecho de que el agua
no produce interferencias y, por tanto, es posible obtener los espectros Raman de
disoluciones acuosas. Adems, se pueden utilizar cubetas de cuarzo, lo que evita el
inconveniente de tener que trabajar con ventanas de NaCl o de otros materiales
inestables en la atmsfera. A pesar de esas ventajas, la espectroscopia Raman no ha sido
muy utilizada por los qumicos para los estudios estructurales hasta que en los aos
sesenta se pudo disponer de los lseres, los cuales han permitido obtener los espectros
con mayor facilidad. Otro impedimento para la utilizacin de la espectroscopia Raman
ha sido la interferencia de la fluorescencia de la muestra o de sus impurezas. Este
problema se ha solucionado en gran medida en la actualidad con el uso de fuentes de
lser de infrarrojo [2].
6.3.4.- Otros tipos de espectroscopia Raman
Con el desarrollo de los lseres sintonizables a principios de los setenta se
desarrollaron varios mtodos nuevos de espectroscopia Raman. A continuacin se tratan
brevemente algunas de estas tcnicas.
6.3.4.1.- Espectroscopia Raman de resonancia
Este tipo de espectroscopia se basa en la utilizacin de radiacin incidente cuya
frecuencia es la misma que la necesaria para causar la excitacin de especies
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absorbentes a un estado de energa electrnico superior al fundamental. Bajo estas
circunstancias, las magnitudes de los picos Raman asociados con las vibraciones ms
simtricas aumentan considerablemente. Como consecuencia, se han podido obtener
espectros Raman de resonancia con concentraciones de analito tan bajas como 10 -8M.
Estos niveles de sensibilidad contrastan con los estudios Raman normales, los cuales se
limitan, de ordinario, a concentraciones mayores de 0.1 M [2].
En la figura 6.18 se muestran los cambios de energa responsables de la
dispersin Raman de resonancia. En dicha figura se muestra tambin la diferencia con la
fluorescencia. Puede verse como el electrn una vez promocionado a un estado
electrnico excitado sufre una relajacin inmediata a un nivel vibracional del estado
electrnico fundamental. En este caso el proceso de relajacin no est precedido por un
relajamiento previo al estado vibracional mnimo del estado excitado, como ocurre en la
fluorescencia. Por lo tanto, el proceso de emisin Raman de resonancia es,
esencialmente, instantneo y el espectro resultante consiste en bandas estrechas [4].
Estados
vibracionales
Estado electrnico
excitado
Estadosvibracionales
Estado electrnico
fundamental
Raman de resonancia Fluorescencia
Figura 6.18.-Diagrama de energas para la dispersin Raman de resonancia y emisin
fluorescente.
La intensidad de las lneas en un experimento Raman de resonancia aumenta
rpidamente cuando la longitud de onda de excitacin se aproxima a la longitud de onda
del pico de absorcin electrnica. As, para conseguir el mayor incremento de seal en
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un intervalo ancho de mximos de absorcin, se necesita un lser sintonizable. Con una
radiacin lser intensa, la descomposicin de la muestra se puede convertir en un
problema debido a que los picos de absorcin electrnica, con frecuencia, se dan en la
regin ultravioleta. Expresamente, la absorcin intensa da lugar a un calentamiento
local en la muestra que produce la descomposicin del analito. Para evitar este
problema, es una prctica normal desplazar la muestra de forma circular por delante del
haz enfocado del lser [2].
La principal limitacin de la espectroscopia Raman de resonancia radica en la
interferencia causada por la fluorescencia del propio analito o de otras especies
presentes en la muestra [2].
6.3.4.2.- Espectroscopia Raman de superficie aumentada
La espectroscopia Raman de superficie aumentada (SERS, de Surface Enhanced
Raman Spectroscopy) supone la obtencin de espectros de la manera usual, de muestras
que se absorben sobre la superficie de partculas metlicas coloidales (normalmente
plata, oro o cobre) o sobre superficies rugosas de piezas de estos metales. Por razones
del todo no comprendidas, las lneas Raman de la molcula adsorbida a menudo se
incrementan en un factor de 103 a 106. Cuando el incremento de su superficie se
combina con la tcnica de resonancia aumentada, tratada en el apartado anterior, el
incremento neto de la intensidad de la seal es ms o menos el producto de la intensidad
producida por ambas tcnicas. En consecuencia se han llegado a conseguir lmites de
deteccin de 10-9a 10-12M [2].
Se han utilizado varias tcnicas para la manipulacin de la muestra en la
espectroscopia de superficie aumentada. En una de las tcnicas, partculas de plata u oro
coloidal se suspenden en una disolucin diluida (normalmente acuosa) de la muestra. A
continuacin, la disolucin se mantiene o se hace fluir a travs de un tubo de vidrio
estrecho mientras se excita con un haz lser. En otro de los mtodos, se deposita una
delgada pelcula de partculas metlicas coloidales sobre una placa de vidrio, y se
aaden una o dos gotas de disolucin de la muestra sobre la pelcula. A continuacin se
obtiene el espectro Raman de la forma usual. Alternativamente, la muestra se puede
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depositar sobre un electrodo metlico rugoso, que a continuacin se retira de la
disolucin y se expone a la fuente de excitacin lser [2].
6.3.4.3.- Espectroscopia Raman no lineal
Las tcnicas no lineales presentan ventajas sobre la espectroscopia Raman lineal.
Se trata de tcnicas con mayor eficiencia y menos susceptibles a la interferencia por la
fluorescencia [2].
Entre los mtodos no lineales se encuentran: dispersin Raman estimulada,
efecto hiper Raman, ganancia Raman estimulada, espectroscopia Raman inversa,
espectroscopia Raman Stokes coherente y espectroscopia Raman anti-Stokes coherente
(CARS, de Coherent Anti-Stokes Raman Spectroscopy). La ms popular de estas
tcnicas no lineales es sin duda la espectroscopia CARS por ello vamos a describirla
con un poco ms de detalle.
Espectroscopia CARS
En la figura 6.19 se muestra un diagrama sencillo del sistema instrumental
empleado para llevar a cabo un anlisis mediante CARS. Puede verse como la tcnica
requiere del empleo de dos lseres de elevada intensidad. Normalmente se trata de
fuentes que emiten radiacin de la zona del visible. Los haces de radiacin procedentes
de ambos lseres son enfocados simultneamente sobre la muestra. Uno de los lseres
emite radiacin de frecuencia fija (1) mientras que el otro lser es sintonizable y emite
radiacin de frecuencia variable (2). En la tcnica se registra la frecuencia de la
radiacin anti-Stokes dispersada (as) a medida que la frecuencia 2 del lser
sintonizable es modificada [3].
Los dos rayos lser se combinan en la muestra para formar un rayo coherente de
frecuencia 3(3= 21- 2). La frecuencia asmedida es nicamente intensa cuando la
diferencia entre 1y 2se corresponde con la diferencia de energa que existe entre el
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Tema 6.- Mtodos basados en la dispersin de la radiacin
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nivel vibracional fundamental y el nivel de energa vibracional ms elevado del estado
electrnico fundamental (Fig. 6.20.).
MuestraLser 1
Lser 2 Detector Registro
Filtro
Espejo
Espejo
1
2
as
I vs (1-2)
Frecuencia variable
3Frecuencia constante
Figura 6.19.-Diagrama de un sistema instrumental empleado en espectroscopa anti-
Stokes coherente (CARS)
v0
v1
v2
21
as3
3 = 21-2
1
Figura 6.20.-Diagrama de energas para la espectroscopia anti-Stokes coherente
(CARS)
CARS es una tcnica adecuada para el anlisis de muestras fluorescentes debidoa que la radiacin dispersada presenta una frecuencia menor que la que la de la
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radiacin fluorescente. Otra ventaja de esta tcnica es que no es necesario el empleo de
un monocromador debido al empleo de lseres de ancho de banda muy estrecho.
Adems el empleo de estas fuentes aumenta la resolucin de la tcnica [3].
6.4.- Referencias
[1] E.D. Olsen,Mtodos pticos de anlisis. Revert, 1990, Barcelona.
[2] D.A. Skoog, F.J. Holler, T.A. Nieman, Principios de anlisis instrumental.
McGraw-Hill, 2000, Madrid.
[3] R.D. Braun, Introduction to instrumental analysis Pharma Book Syndicate,
2006, Hyderabad.
[4] H.H. Willard, L.L. Merrit, J.A. Dean, F.A. Settle, Mtodos instrumentales de
anlisis. Grupo Editorial Iberoamericana, 1991, Mxico D.F.
[5] D.A. Skoog, F.J. Holler, R.C. Stanley, Principles of instrumental analysis
Thomson, 2007, Australia.