métodos basados en la dispersión de la radiación

7/26/2019 Mtodos basados en la dispersin de la radiacin.

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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

Olga Domnguez Renedo-M. Asuncin Alonso Lomillo2


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].


hi hS

Estado virtual



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.


hi has

Estado virtual



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


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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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.

métodos basados en la dispersión de la radiación

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