Espectroscopia Molecular: Interacción Luz-Materia
Luminiscencia
La Luminiscencia es la emisión de luz desde cualquier estado excitado de una molécula.
Procesos de Relajación
- Relajación No Radiante: La energía absorbida es liberada en forma de calor, permitiendo que el electrón pase del estado excitado al estado fundamental.
- Relajación Radiante: La energía absorbida es liberada en forma de fotón.
- Conversión Interna: El electrón en el nivel S₁ pasa a un estado vibracional más alto dentro de S₀ (con energía similar a S₁), y luego regresa al nivel fundamental transfiriendo su energía a las moléculas vecinas mediante colisiones.
- Cruce entre Sistemas: El electrón pasa del nivel S₁ al nivel T₁, desciende al nivel vibracional más bajo de T₁ y luego regresa a S₀, relajándose de forma no radiante.
Estados Electrónicos
- Estado Singlete: Electrón acompañado por otro de espín contrario en el mismo orbital.
- Estado Triplete: Un electrón en estado singlete puede ser promovido a un orbital con espín paralelo.
Fenómenos de Emisión Radiante
- Fluorescencia: Transición radiante de S₁ a S₀, con un tiempo de vida muy corto (de 10⁻⁸ a 10⁻⁴ s), del orden de nanosegundos.
- Fosforescencia: Transición radiante de T₁ a S₀, con un tiempo de vida mucho mayor (de 10⁻⁴ a 2 s), que puede durar hasta horas.
Factores que Afectan la Fluorescencia
¿Por qué algunas moléculas absorben radiación y fluorescen, y otras no? Todas las moléculas absorbentes tienen potencial para fluorescer; si bien la mayoría no lo hacen porque su estructura proporciona más vías no radiantes por las cuales puede ocurrir la relajación a una velocidad mayor que la emisión fluorescente.
Características Estructurales: Los compuestos con anillos aromáticos, sobre todo si están fusionados o con dobles enlaces conjugados, y si además son rígidos, pueden fluorescer.
Autoapagamiento: Las moléculas de analito absorben la fluorescencia producida por otras moléculas de analito.
Espectroscopia de Infrarrojo (IR)
Interacción Radiación Infrarroja-Muestra
Cuando la radiación infrarroja incide sobre una muestra, es capaz de provocar cambios en los estados vibracionales de las moléculas constituyentes de la misma.
Identificación de Enlaces y Grupos Funcionales
La absorción de radiación por parte de una muestra es indicativa del tipo de enlaces y grupos funcionales presentes. Se recurre a bibliotecas para buscar coincidencias y determinar compuestos.
Número de Onda vs. Longitud de Onda
En espectroscopia de infrarrojos se distinguen tres zonas y en vez de longitud de onda se utiliza más frecuentemente el número de onda o ciclos por centímetro (cm⁻¹).
Regiones del Espectro Infrarrojo
Tanto desde el punto de vista instrumental como de sus aplicaciones, es conveniente dividir la región infrarroja en tres regiones denominadas Infrarrojo Cercano (NIR), Infrarrojo Medio (MIR) e Infrarrojo Lejano (FIR).
La gran mayoría de las aplicaciones analíticas clásicas de la espectroscopia infrarroja se basan en el empleo del Infrarrojo Medio (MIR) (4000-600 cm⁻¹) y el Infrarrojo Cercano (NIR), que proporciona la posibilidad de convertir esta técnica en una técnica cuantitativa.
Regiones del Infrarrojo Medio (MIR)
En la región del infrarrojo medio podemos distinguir dos zonas:
- La región del espectro situada entre 4000 y 1400 cm⁻¹, es de gran utilidad para la identificación de la mayoría de los grupos funcionales presentes en las moléculas orgánicas. Las absorciones que aparecen en esta zona provienen fundamentalmente de las vibraciones de estiramiento. Esta es la Región de los Grupos Funcionales.
- La zona situada entre 1400 y 600 cm⁻¹, es por lo general, compleja, debido a que en ella aparecen una combinación de vibraciones de alargamiento, así como de flexión. Cada compuesto tiene una absorción característica en esta región; por esta razón, a esta parte del espectro se la denomina como la Región de las Huellas Dactilares.
Aplicaciones del Infrarrojo Medio (MIR)
- Caracterización e identificación de materiales:
- Polímeros y plásticos
- Sólidos inorgánicos (minerales, catalizadores, materiales compuestos…)
- Análisis de productos farmacéuticos y de síntesis.
- Análisis de contaminantes.
- Ciencia Forense (identificación).
- Biomedicina (análisis de tejidos).
- Conservación artística (análisis de pigmentos, materiales utilizados…).
- Industria del reciclaje (identificación de materiales poliméricos).
- Agricultura y alimentación (IR cercano).
- Seguimiento de procesos químicos:
- Polimerizaciones, curado, reticulaciones…
- Reacciones catalíticas.
- Análisis de microplásticos.
La espectroscopia IR, en el IR medio, es una herramienta menos útil para el análisis cuantitativo que la espectroscopia UV-Vis, debido a que es una técnica menos sensible, menos precisa y existen desviaciones de la ley de Lambert-Beer con mayor frecuencia; sin embargo, es una técnica mucho más selectiva, lo que la hace interesante en algunas aplicaciones.
Modos de Medida en IR
- Transmisión: En este método de medida, la radiación IR atraviesa la muestra, registrándose la cantidad de energía absorbida por la muestra.
- Modo ATR (Reflexión Total Atenuada): Es un modo de muestreo en el que el haz IR se proyecta en un cristal de alto índice de refracción. El haz se refleja en la cara interna del cristal y crea una onda evanescente que penetra en la muestra.
- Reflexión: La radiación infrarroja es reflejada sobre la muestra. Analizando la radiación reflejada y comparándola con la radiación incidente, se obtiene información molecular de la muestra.
Espectroscopia Raman
La espectroscopia Raman es una técnica de dispersión, basada en el efecto Raman. El efecto Raman es debido a la llamada dispersión inelástica de los fotones, en la que una pequeña fracción de la luz (aproximadamente 1 en 10⁷ fotones) es dispersada ópticamente a frecuencias diferentes, mayormente inferiores, que la frecuencia de los fotones incidentes.