1. ¿Para cuál de los siguientes estudios sería menos imprescindible el uso de un microespectrofotómetro IR?
(A). Investigación forense para saber si un punto diminuto que se observa en el vidrio de una ventana es sangre.
(B). Identificación de un polímero de alto peso molecular que está disuelto en agua.
(C). Obtención de la imagen de una muestra de tejido cancerígeno de 1 mm de diámetro.
(D). Estudio de las alteraciones químicas producidas en la superficie de un microchip electrónico.
Solución: B. La microespectroscopía IR se puede aplicar a disoluciones, pero no tiene mucho sentido recurrir a un microespectrofotómetro, que es un instrumento caro, para obtener el espectro IR de una simple disolución. La potencialidad de la microespectroscopía radica en la posibilidad de seleccionar “puntos” microscópicos de una muestra y registrar de ellos sus espectros para identificar los componentes químicos que existen en estos puntos o hacer otro tipo de estudios. La naturaleza química de la diminuta mancha puntual que se observa en un vidrio en principio se podría identificar por microespectroscopía IR, siendo esta técnica muy adecuada precisamente porque se trata de una sola mancha y además es muy pequeña. La superficie de un microchip electrónico está sujeta a alteraciones químicas (oxidaciones, cristalización de sales…). Constituye, pues, una superficie que puede ser heterogénea desde el punto de vista químico; por tanto, es adecuada para su estudio por microespectroscopía IR. Lo mismo se puede decir de un tejido biológico, pues es una superficie de composición química heterogénea. Es cierto que podría afectar al espectro la presencia de agua, pero eso no hace imposible el estudio.
2. Se tiene una plancha de acero sobre la que se han aplicado tres capas de pinturas, una sobre otra, las tres opacas y de 250 micrómetros cada una. ¿Podría estudiarse por microespectroscopía IR la naturaleza química de cada capa?
(A). Sí.
(B). No, porque son opacas.
(C). No, porque son muy gruesas.
(D). No, porque interferiría el espectro del acero.
Solución: A. Se puede hacer el estudio realizando un corte transversal de la pieza. En la sección obtenida se podrán distinguir las capas perfectamente con un microscopio. El espesor de las capas es suficientemente grande como para que se pueda enfocar la radiación sobre puntos de cada una de ellas sin que interfieran las demás.
3. Se quiere obtener la imagen espectroscópica de una fina rodaja de un grano de trigo registrando los espectros correspondientes entre 900 y 1800 cm–1, utilizando para ello un microespectrofotómetro IR de transformada de Fourier con detector de matriz de plano focal 64×64 de telururo de mercurio y cadmio y objetivo 36×. ¿Cuántos interferogramas habría que registrar como mínimo?
(A). 900
(B). 4096
(C). 9000
(D). 10000
Solución: B. La matriz de plano focal posee 64 × 64 = 4096 píxeles. Hay que registrar un interferograma como mínimo de cada píxel, aunque también se podrían hacer acumulaciones del doble, triple, etc., de interferogramas (8192, 12288…) y promediarlas para mejorar la relación de señal a ruido.
4. ¿Qué podría representar la siguiente figura?
(A). Una imagen IR de la sección de un pelo
(B). Una imagen óptica de una minúscula burbuja de jabón
(C). Una imagen Raman de una partícula de diamante industrial a partir de su intensa banda a 423 cm–1
(D). Una imagen de rayos X de una sección del tronco de un pino joven
Solución: A. Basta consultar alguna base de datos de espectros Raman (como RRuff) para comprobar que el carbono diamante no da ninguna banda Raman a 423 cm–1.
En cuanto a la posibilidad de que sea una burbuja de jabón, por una parte no se esperaría que fuera tan irregular, ya que la tensión superficial tendería a hacerla casi esférica (en todo caso, con ligero achatamiento debido a la gravedad); y por otra parte su interior no debería tener estructura, ya que lo que contiene una burbuja de jabón es un medio homogéneo (aire).
No puede ser una imagen del tronco de un pino porque el diámetro del cuerpo que se ve en la figura es de unos 100 micrómetros.
Solo queda como alternativa que se trate del corte de un pelo. Para mayor información, la imagen en este caso se ha obtenido a partir de las absorbancias de las bandas de amida II a 1540 cm–1 (debidas a proteínas del pelo). Las líneas de contorno indican los lugares de los puntos del corte en los que la absorbancia tiene el mismo valor. Es lógico que se obtengan patrones concéntricos porque es de esperar que la distribución de los compuestos químicos del pelo sea radial.
5. De las siguientes afirmaciones, ¿cuál es más acorde con lo que se trata de representar en el siguiente croquis, en el que la flecha en zigzag indica fotones IR?
(A). Se está obteniendo una imagen IR de un objeto mediante una matriz de plano focal.
(B). Se está midiendo con colores falsos la tonalidad de gris de los diversos píxeles en los que se ha dividido una imagen microscópica óptica.
(C). Se indica una región microscópica de un objeto que va a ser irradiada para medir su absorbancia a determinada longitud de onda.
(D). Se indica una región de un objeto que va a absorber una radiación policromática para transmitir solo su componente roja o naranja.
Solución: C. El croquis muestra el proceso de obtención de la imagen de un objeto material (concretamente, se trata de un tejido biológico). Las matrices de plano focal permiten obtener las imágenes de una vez, pero en ese esquema parece estar indicándose que se está registrando secuencialmente la imagen de cada pixel, por lo que se estaría reflejando la técnica del mapeo, y no la que se denomina propiamente de imagen.
Los colores del croquis de la derecha son efectivamente falsos, pero no tienen por qué estar correlacionados con la “tonalidad de gris” (es decir, más claro o más oscuro) de la imagen óptica del objeto, sino con la intensidad (absorbancia) en el espectro de cada pixel de determinada banda que se está tomando como referencia. Esa región del objeto absorberá preferentemente radiación de determinada longitud de onda y transmitirá o reflejará la restante, pero no se puede decir qué “color” va a transmitir o reflejar; primero porque se trata de radiación IR, no visible; y segundo porque los colores de la imagen de la derecha son falsos.
6. En general y comúnmente, combinando un espectrofotómetro de IR medio equipado con fuente glóbar con un microscopio se obtiene información molecular con una resolución espacial máxima del orden de…
(A). 10–1 mm
(B). 10 μm
(C). 100 cm–1
(D). 100 nm
Solución: B. Debe tenerse en cuenta que cuando se habla de resolución, la mayor resolución corresponde a un número más bajo. En este caso, la respuesta adecuada es 10 μm. A 100 nm (0,1 μm) es imposible llegar porque estaríamos muy por debajo del llamado límite de difracción.
7. La figura siguiente representa espectros vibracionales de una micromuestra de tendón, que es un tejido conectivo formado por fibras de colágeno.
Los números romanos I, II y III se refieren a las características bandas de las amidas de las proteínas. De las siguientes afirmaciones, ¿cuál sería correcta?
(A). La irradiación IR produce con el tiempo una desnaturalización de la proteína.
(B). Se ha aplicado la técnica de la microespectroscopía IR polarizada.
(C). Son espectros del mismo punto, pero uno es IR y el otro es Raman.
(D). Para obtener un espectro se ha usado radiación convencional glóbar y para el otro se ha empleado una fuente de sincrotrón.
Solución: B. Las fuentes de infrarrojo emiten radiación policromática que esencialmente es no polarizada. Pero esta radiación se puede polarizar en un solo plano mediante un polarizador. Cuando dentro de una muestra existe una orientación preferente de sus componentes (por ejemplo, fibras) se comprueba que la intensidad de las bandas de su espectro IR depende del ángulo que forman el plano de del haz IR polarizado y la dirección preferente aludida. Por ejemplo, si se trata de fibras, se obtienen espectros cuyas bandas tienen intensidades diferentes según exista perpendicularidad o paralelismo entre el plano de luz polarizada y la orientación de las fibras. Esto se observa muy bien en la imagen, que corresponde a fibras de colágeno con orientaciones perpendiculares entre sí. Las diferentes intensidades de las bandas de amida indicarían que los espectros se han hecho irradiando la muestra con luz polarizada, cuyo plano en un caso es perpendicular a las fibras y en el otro es paralelo.
Por otra parte, en principio no es de esperar que la irradiación con IR desnaturalice la proteína de colágeno porque esta radiación es de por sí poco energética y el haz que se dirige sobre la muestra para obtener los espectros tiene poca potencia. Pero, en cualquier caso, los dibujos no denotan que los espectros se hayan registrado en dos tiempos diferentes, por lo cual no se puede asegurar que se haya producido una desnaturalización debido a que la muestra ha sido irradiada durante cierto tiempo. Lo mismo se podría decir respecto a la afirmación de que un espectro es IR y otro Raman. Podría ser, pero no hay la menor prueba de ello en la figura. Tampoco de que un espectro se haya obtenido con radiación de sincrotrón y otro con fuente glóbar; más bien en este caso se esperarían iguales espectros, pero con mejor relación de señal a ruido en el de sincrotrón. No obstante, no se ve ninguna diferencia significativa en ese sentido. En cambio, las imágenes sí denotan claramente que el colágeno ha sido dispuesto para su estudio en dos orientaciones diferentes.
8. Solo una de las siguientes afirmaciones sobre detectores en espectroscopía de IR es verdadera:
(A). Los detectores de InSb son especialmente adecuados para registrar espectros entre 1000 y 5500 cm–1.
(B). Los detectores de telururo de mercurio y cadmio son muy empleados para la región del IR próximo.
(C). Los detectores de silicio extrínseco dopado con arsénico y galio tienen una resolución espacial máxima de entre 18 y 28 μm, dependiendo de la muestra.
(D). Hay detectores que se basan en la dependencia de alguna de sus propiedades físicas con la temperatura.
Solución: D. Los detectores InSb son sensibles a radiaciones comprendidas aproximadamente entre 1 y 5,5 μm, lo que equivale a 10000 – 1800 cm–1 en números redondos. Por lo tanto, se pueden considerar adecuados para la espectroscopía de IR próximo, que es la región que se extiende entre aproximadamente 14000 y 4000 cm−1 o, en longitudes de onda, entre 0,7 y 2,5 μm aproximadamente.
El detector de telururo de mercurio y cadmio (normalmente denominado MCT por sus siglas en inglés) es especialmente útil en el IR medio, ya que su máxima sensibilidad la tiene entre aproximadamente 4000 y 900 cm–1, es decir, entre 3 y 11 μm (el IR medio se considera habitualmente que se extiende entre 4000 y 400 cm–1).
Los detectores de silicio extrínseco dopado con arsénico y galio son adecuados para registrar radiaciones de entre 18 y 28 μm, pero esas cantidades no tienen nada que ver con la resolución espacial; son longitudes de onda.
Los detectores de IR son, en general, de dos tipos: detectores de fotones que dependen de la generación de portadores de carga tras la incidencia de fotones, y detectores de energía que dependen de un cambio en una propiedad física del material del detector. Los detectores de fotones pueden ser, a su vez, de dos tipos: fotovoltaicos (los fotones que inciden en el detector generan un voltaje medible) o fotoconductores (los fotones incidentes provocan un cambio en la conductividad). Para que estos detectores funcionen bien deben enfriarse a temperaturas muy bajas. Sin embargo, los detectores de energía no necesitan condiciones criogénicas. Son las termopilas, los microbolómetros o ciertos dispositivos basados en la ferroelectricidad o en la piroelectricidad. Los detectores de termopila generan voltajes proporcionales a la temperatura que se origina en la unión de dos metales diferentes. Los microbolómetros se basas en materiales cuya resistividad cambia en función de la temperatura. Los sistemas ferroeléctricos/piroeléctricos se fundamentan en la dependencia de la polarización con el cambio de temperatura. En todos los casos, el cambio de temperatura resulta de la absorción de fotones incidentes.
9. Se han tomado las siguientes imágenes espectroscópicas en un estudio hecho para demostrar cómo se separan dos fases a partir de una mezcla de polibutadieno y poliftalato de dialilo. ¿Cuál de las siguientes interpretaciones sería más aceptable?
(A). La imagen de la derecha muestra que tiene lugar una reacción química que produce un copolímero.
(B). La imagen de la izquierda es anterior en el tiempo.
(C). La imagen de la derecha tiene bastante mejor resolución espacial.
(D). Ambas son imágenes de la misma región, pero tomadas a diferente longitud de onda.
Solución: D. No hay ningún indicio en la figura que permita deducir que la imagen de la izquierda sea anterior en el tiempo. De hecho, estas imágenes espectroscópicas IR se han tomado de un artículo referido a un estudio sobre separación de fases de mezclas de los polímeros indicados en el enunciado, y según la información de la imagen en dicho artículo, ambas están tomadas 24 h después de la preparación de la muestra. Básicamente existe una matriz de un polímero (concretamente es el polibutadieno) en la que se observan dominios del otro, viéndose también claramente las interfases de separación.
De las imágenes tampoco cabe deducir que una tenga más resolución espacial que otra puesto que en ambos casos más o menos se observan los mismos rasgos estructurales, es decir, los mismos granos a iguales distancias, sin que aparezcan nuevos granos pequeños en la imagen de la derecha respecto a los que se ven en la de la izquierda (en todo caso, más bien sería al contrario). Que los granos de la derecha aparenten verse con más nitidez no significa que esa imagen tenga mejor resolución espacial, que es la capacidad de distinguir rasgos separados una distancia muy corta.
Por otra parte, no se puede decir que se produzca un tercer polímero, primero porque no hay pruebas, y segundo porque el enunciado dice claramente lo que ocurre: una separación de dos fases en una mezcla de dos polímeros. Es decir, se trata de un proceso físico que separa a ambos polímeros (uno queda como matriz y el otro como granos insertos dentro de ella).
En consecuencia, la diferencia que presentan las imágenes solo se puede atribuir, de las cuatro razones dadas, a que se han registrado a partir de valores de intensidad de señalas a diferentes números de ondas (o longitudes de onda). Concretamente, según el artículo, la de la izquierda se basa en la intensidad medida a 2950 cm–1 (corresponde aproximadamente al máximo de la banda del modo de tensión de C–H) y la de la derecha a 1280 cm–1 (banda de tensión de C–O).
10. Se quiere obtener la imagen microespectroscópica de un tejido biológico mediante el registro de espectros de distintos puntos de la muestra, espectros de los que el de la imagen es uno típico:
¿Cuál de las siguientes formas de proceder en cada uno de los espectros sería menos adecuada para obtener una imagen aceptable?
(A). Se podría seleccionar el macizo de bandas que aparece en torno a 3000 cm–1 y medir su área.
(B). Se podría tomar como referencia la banda más intensa de los ácidos nucleicos (en torno a 3400 cm–1) y medir su intensidad a un número de ondas fijo.
(C). Se podrían seleccionar juiciosamente dos bandas y calcular la relación de intensidades entre ellas.
(D). Se podría medir la intensidad a un número de ondas en el que no aparezcan bandas de ninguno de los componentes para evitar interferencias (el número de ondas 2500 cm–1 resultaría ideal).
Solución: D. Se puede optar entre muchos criterios para obtener la imagen. Por ejemplo, seleccionar el número de ondas de una banda intensa. Supongamos que esa banda corresponde a las proteínas. En los puntos en que haya proteínas, la banda tendrá gran intensidad; en los que no, poca. Esto significa que el espectro de cada punto muestreado tendrá un valor diferente de intensidad según la proporción de proteínas existente en el punto. Transformados estos valores mediante un código de colores arbitrario se puede obtener una imagen (en color falso). También pueden seleccionarse áreas, relaciones entre áreas, relaciones entre intensidades… Lo que no parece razonable es escoger un número de ondas en el que ningún componente absorba porque entonces siempre se va a obtener intensidad próxima a cero y todos los puntos tendrán el mismo o muy parecido color, lo que impedirá que haya contraste en la imagen e incluso que se obtenga imagen útil.
11. Analizando la composición química de una muestra de meteorito se ha focalizado la radiación láser sobre el punto central de la siguiente imagen (las microcámaras de los instrumentos no suelen permitir mejor calidad):
El espectro Raman que se obtuvo de dicho punto es este:
Básicamente, ¿a qué mineral podría corresponder?
(A). Hematites (α-Fe2O3)
(B). SiO2 (cuarzo, de color negro por mala cristalización)
(C). FeCO3 (siderita)
(D). Diogenita (un tipo de piroxeno)
Solución: A. Basta consultar una base de datos de espectros Raman, como RRuff, para comprobar que se trata de hematites: Haematite R040024 – RRUFF Database: Raman, X-ray, Infrared, and Chemistry. Los óxidos de hierro son bastante comunes en los meteoritos. (Hay que tener en cuenta que el hierro tiene el núcleo más estable de todos los elementos químicos, lo que justifica su abundancia en el Universo). Los demás compuestos señalados tienen espectros Raman muy diferentes. La siderita tiene un espectro parecido al de la calcita, dada la analogía de ambos compuestos (FeCO3 y CaCO3). Es un espectro muy simple, destacando una banda debida al grupo carbonato en torno a 1100 cm–1. El cuarzo destaca por una banda intensa muy característica en torno a 460 cm–1. Finalmente, los piroxenos suelen tener una banda muy destacada a algo menos de 700 cm–1 y otras bandas menos intensas a mayores y menores números de ondas.
12. Los siguientes espectros Raman corresponden a diversos compuestos de una misma familia. ¿Cuál?
(A). Son feldespatos (contenidos en granito y diorita).
(B). Son óxidos, hidróxidos y oxihidróxidos de hierro (hematites, magnetita, maghemita, wüstita, goethita, lepidocrocita…).
(C). Son silicatos.
(D). Son especies de carbono.
Solución: D. La pista la dan las etiquetas “D” y “G”, que indican bandas características de los espectros Raman de los alótropos del carbono (grafito, diamante, grafeno, nanotubos, fullerenos, carbonos amorfos…). La banda D suele aparecer a unos 1300 cm–1 (2D representa el primer sobretono, a unos 2600 cm–1). Se debe a enlaces C–C tipo sp3. La banda G aparece en torno a 1580 cm–1 y se debe a enlaces C–C tipo sp2.
13. Muchos minerales contienen en su interior pequeñas burbujas de gases que quedaron atrapadas durante el proceso de cristalización. Por ejemplo, en la siguiente microfotografía óptica se ven burbujas de CO2 incluidas en una muestra de ortopiroxeno, circunstancia que podría arrojar información sobre la composición de la atmósfera de la edad geológica correspondiente.
A propósito de este caso concreto; ¿cuál de las siguientes afirmaciones es verdadera?
(A). Para comprobar por microespectroscopía Raman que el gas atrapado es efectivamente CO2 sería imprescindible evitar la interferencia del espectro del ortopiroxeno; por ello, habría que extraer el gas de las burbujas valiéndose del correspondiente microdispositivo y almacenarlo en una ampolla.
(B). Sería imposible detectar CO2 por microespectroscopía IR aunque se emplearan fuentes muy brillantes, detectores muy sensibles y técnicas especiales para superar el límite de difracción, debido a que la molécula de CO2 es lineal.
(C). Si el CO2 atrapado es de una sola de las variedades isotópicas13CO2 o 12CO2, por microespectroscopía Raman se podría saber de cuál se trata.
(D). Si se quisiera emplear la técnica Raman se podría usar un láser IR e incluso rojo, pero no verde.
Solución: C. Este tipo de estudios no son sencillos. En primer lugar, la burbuja de gas tiene que estar muy cerca de la superficie, ya que la profundidad que alcanza la radiación de la fuente es limitada. Ahora bien, incluso si no se encontraran burbujas superficiales, la dificultad siempre se podría superar haciendo un corte cerca de la burbuja para que entre esta y el exterior haya solamente una capa muy fina de ortopirexeno. Sus bandas se observarían también en el espectro, pero no necesariamente han de interferir de modo tan drástico que no se puedan observar las bandas de CO2.
El CO2, que es una molécula lineal, tiene modos no activos en IR (como el de tensión simétrica, ya que no implica cambios periódicos de momento dipolar), pero otros si son activos. Que las burbujas sean tan pequeñas (menos de 5 micras) no es un inconveniente que haga imposible el estudio de las burbujas por microespectroscopía IR. Es cierto que en esta técnica existe el problema de la difracción, que pone un límite a la resolución espacial, pero eso no impide que se puedan obtener espectros de una región pequeña; simplemente aparecerán también bandas del compuesto en el que está inmersa la burbuja de gas debido a la imposibilidad de enfocar exactamente la radiación sobre esa burbuja. Por lo demás, todo mejoraría con técnicas de campo próximo.
Otra dificultad es que, al ser las burbujas tan pequeñas, el camino óptico de la radiación dentro de ellas será muy pequeño, por lo que la absorción será muy baja. No obstante, este inconveniente no se puede alegar como un argumento de imposibilidad, sino solo de dificultad, dificultad que se podría paliar empleando fuentes muy brillantes como la de sincrotrón.
Por otro lado, por Raman (y en general por espectroscopía vibracional) sí se podría distinguir entre 13CO2 y 12CO2, ya que las frecuencias de las vibraciones (especialmente las de los modos de tensión) dependen de la masa reducida del sistema y, por tanto, de las masas atómicas de los isótopos del C en este caso. Por otra parte, los espectros Raman varían ligeramente con la fuente láser utilizada, pero normalmente eso no implica que no se pueda emplear un determinado tipo de láser.
14. Se tiene un sólido consistente en una mezcla de pequeños cristales de yeso (CaSO4·2H2O), basanita (CaSO4·½ H2O) y anhidrita (CaSO4). Se toma una micromuestra del sólido con la intención de visualizar en una imagen espectroscópica cómo están distribuidas las tres especies, para lo cual se ha pensado en usar la microespectroscopía Raman. Los espectros Raman característicos del yeso, la basanita y la anhidrita son estos:
La banda Raman más intensa de las tres especies se debe a la tensión simétrica del grupo sulfato. A propósito, una de estas afirmaciones sobre la imagen Raman obtenida es correcta.
(A). Para distinguir el yeso de las otras especies se podría obtener la imagen a partir de la intensidad de la banda de tensión simétrica del grupo sulfato.
(B). No se podrán diferenciar las tres especies porque el yeso y la basanita se van a convertir en anhidrita debido al calor del láser incluso a muy baja potencia de este.
(C). No se podrán diferenciar entre sí los cristales de yeso y basanita, aunque sí se podrán distinguir estos de los de anhidrita.
(D). La anhidrita no se podría distinguir en ningún caso debido a su carencia de agua.
Solución: A. Para obtener una imagen Raman se puede elegir un valor concreto del desplazamiento Raman (en cm–1) y medir la intensidad de la señal para ese valor en el espectro de cada pixel. Si se elige, por ejemplo, el valor 1008 cm–1, se podrá distinguir muy bien el yeso de los otros sulfatos de calcio, que aunque tienen también la correspondiente banda de tensión simétrica del sulfato, esta aparece en ellos a números de ondas ligeramente diferentes. Sí es cierto que si se elige ese valor de numero de ondas para obtener la imagen, no van a distinguirse bien la anhidrita y la basanita, dada la proximidad de los números de onda de la banda de sulfato en estas especies.
Es cierto que el láser calienta la muestra, pero el aumento de temperatura no puede ser muy grande si el láser es de baja potencia y si el espectro se realiza en breve tiempo, como es lo habitual. En cualquier caso, las moléculas de agua de hidratación que forman parte de su estructura no se eliminarán fácilmente ni a altas temperaturas, a diferencia del agua de humedad, que debería desaparecer al calentar a 100 grados. Por otro lado, hacer desaparecer el agua de hidratación no tiene por qué implicar una conversión de las fases del yeso y la basanita en fase de anhidrita, ya que podrían originarse otras fases estables o metaestables de CaSO4.
El yeso y la basanita sí se podrían distinguir bien, y no solo a partir de las medidas de intensidad de la banda de tensión simétrica del sulfato sino, más fácil aún, a partir de las bandas de agua, que, como se ve en la imagen, aparecen a números de ondas muy distintos en ambas especies (región 3300–3700 cm–1).
15. Se quiere emplear la microespectroscopía Raman para un estudio bastante completo de un material semiconductor basado en silicio. ¿Cuál de las siguientes afirmaciones es falsa?
(A). De los espectros se podría obtener información sobre las propiedades electrónicas y ópticas del semiconductor.
(B). No se podrían detectar tensiones mecánicas en regiones microscópicas del material.
(C). Si el silicio es monocristalino, teóricamente se podrían detectar defectos en la red.
(D). Mediante Raman se puede distinguir si el silicio de un semiconductor es mono o policristalino.
Solución: B. Al poderse observar en Raman bandas debidas a modos de vibración de fonones (es decir, vibraciones que afectan a toda la red cristalina), la técnica es sensible a las tensiones mecánicas en los materiales cristalizados. Por otro lado, los espectros Raman también pueden revelar información sobre las propiedades electrónicas y ópticas de un semiconductor. Además, los espectros Raman se pueden ven afectados por el desorden en la red cristalina debido a que ese desorden puede provocar que algunos modos prohibidos por las reglas de selección Raman se vuelvan activos en esta técnica.
El silicio, en sus diferentes formas (amorfo, microcristalino, policristalino y monocristalino) se puede modelar mediante microlitografía para construir estructuras semiconductoras. La técnica Raman es capaz de distinguir las diferentes formas del silicio basándose en la primera banda de fonones de este material.
16. Considérese la siguiente figura, correspondiente al estudio por microespectroscopía Raman de una muestra que esencialmente está compuesta de los óxidos de dos metales, MO y M’O, suficientemente compactados para que no queden huecos entre sus partículas. A la izquierda se presenta una imagen Raman de la muestra; a la derecha, espectros Raman de los puntos centrales de las dos regiones cuadradas indicadas en la imagen de la izquierda. Se sabe que el espectro del óxido del metal M se caracteriza por un pico Raman a 292 cm–1, número de ondas al que el óxido del metal M’ no da señal. En cambio, en el espectro del óxido del metal M’ destaca un pico intenso a 464 cm–1 que no aparece en el óxido del metal M.
¿Cuál de las siguientes afirmaciones es correcta?
(A). El fragmento de imagen que está dentro del cuadrado discontinuo se ha tomado a partir de medidas de intensidad de la señal a 292 cm–1; el fragmento dentro del cuadrado continuo, a partir de medidas de intensidad de la señal a 464 cm–1.
(B). La región de la muestra que está dentro del cuadrado continuo tiene una concentración mayor del metal más pesado que la región del cuadrado discontinuo.
(C). No se puede asegurar si la imagen Raman se ha tomado a partir de la señal a 292 cm–1 o a partir de la señal a 464 cm–1.
(D). El óxido cuyo color natural es negro está en mayor proporción que el blanco.
Solución: C. Para obtener la imagen, en principio se puede utilizar cualquier señal del espectro. Como dice el enunciado, el óxido del metal M’ tiene un pico intenso (que destaca claramente en el espectro) a 464 cm–1. Si queremos obtener la imagen Raman a partir de esa señal y creamos un código de tonalidad de grises de modo que aparezca más oscura la imagen cuanto más intenso sea el pico, las zonas oscuras de la imagen indicarán las regiones en las que el óxido M’O abunda. Al contrario, las zonas más claras indicarían la menor presencia del óxido M’O, pero como la muestra es compacta y no tiene huecos, eso significaría la mayor presencia del óxido MO.
Ahora bien, también podríamos haber creado un código inverso, de manera que aparezcan más claras las regiones en las que más abunda el óxido M’O. La elección del código de colores es arbitraria; los colores de las imágenes siempre son falsos y dependen de cómo los investigadores los quieran definir.
Si hubiéramos tomado como referencia la señal de 292 cm–1 igualmente habríamos obtenido una imagen de la muestra, pero, en este caso, intensidades altas de esta banda denotarían la abundancia del metal MO. Como antes, que unas regiones u otras aparezcan más o menos oscuras dependerá del código de colores establecido.
Lo que no tiene ningún sentido es decir que una parte de la imagen se ha obtenido a partir de una señal y otra parte a partir de otra. Ni que el color de la imagen será más oscuro cuanto más pesado sea el metal. Ni podemos decir nada de los colores naturales de los óxidos porque se desconocen, ya que una imagen Raman no puede proporcionar esa información.
17. Sobre las dimensiones de un hipercubo Raman…
(A). una es espacial y dos son espectrales.
(B). las tres son espectrales.
(C). las tres son espaciales.
(D). dos son espaciales y una es espectral.
Solución: D. Las dimensiones se pueden representar mediante la siguiente figura:
Cada plano quiere indicar una imagen posible compuesta por y×x píxeles. Esto supone la existencia de dos dimensiones o grados de libertad espaciales. Seleccionado un pixel determinado, se puede obtener su espectro Raman y elegir de él una longitud de onda concreta para medir la intensidad a esa longitud de onda, lo que supone un tercer grado de libertad o dimensión, que en este caso es espectral.
18. En cierto libro de espectroscopía electrónica se lee que en 1958 unos investigadores utilizaron imágenes por microespectroscopía Raman para estudiar microplásticos ambientales y que demostraron que en casos de microplásticos muy coloreados la técnica era ideal porque los pigmentos dan normalmente excelentes espectros Raman. ¿Qué se podría decir al respecto?
(A). Que si lo hicieron tuvo que ser empleando láseres IR para evitar la extrema fluorescencia de los pigmentos.
(B). Que eso es imposible porque en 1958 aún no había microplásticos.
(C). Que la información es incorrecta porque en 1958 no había microespectrómetros Raman.
(D). Que esa información no pudo aparecer en un libro de espectroscopía electrónica porque el Raman es una técnica vibracional.
Solución: C. En esa época no se pudo hacer el estudio porque aunque la primera sugerencia de acoplar un microscopio a un espectrómetro Raman fue hecha en 1966, el equipo no se desarrolló hasta 1974. En cuanto a los láseres, se desarrollaron en los años 1960. No se puede decir que en 1958 no hubiese microplásticos, pues ya se utilizaban plásticos con profusión en todo el mundo.
Por otra parte, nada impide que un libro de espectroscopía electrónica hable de Raman, entre otras razones porque la variedad de la técnica llamada Resonancia Raman se realiza excitando con energías propias de los saltos electrónicos.
19. Se desea obtener por microespectroscopía Raman la composición química del endospermo (interior) de un grano de trigo sin retirar el salvado (cáscara) ni realizar ningún otro procedimiento destructivo. ¿Qué técnica (por sus siglas en inglés) se podría aplicar?
(A). SORS
(B). SERS
(C). TERS
(D). CARS
Solución: A. La técnica SORS es relativamente reciente, pues empezó a desarrollarse en 2005. Permite obtener espectros Raman de la parte interna de la muestra sin necesidad de retirar capas superficiales. Por ejemplo, se puede estudiar el interior de una semilla sin hacer cortes de ella.
20. En la siguiente imagen se muestra un documento conservado por la Universidad de Yale que se llama mapa de Vinlandia y que consiste en un pergamino en el que está dibujado un mapamundi que parece revelar un fragmento del norte del continente americano.
Se ha defendido que este mapa es anterior a la llega de Colón a América porque el pergamino ha sido datado por radiocarbono entre 1439 ± 16 d. C. Si nos encomendaran un estudio por microespectroscopía Raman para determinar si el mapa es fraudulento, ¿qué podríamos hacer?
(A). Analizar la composición química de las regiones oscuras que se advierten en los cuatro vértices del pergamino.
(B). Obtener espectros de zonas deterioradas del pergamino para estudiar el avance del proceso de degradación de la celulosa.
(C). Obtener espectros de regiones microscópicas de las líneas de tinta.
(D). Obtener una imagen Raman completa de toda la muestra para identificar sustancias lipídicas correspondientes a huellas dactilares.
Solución: C. Estudiar por Raman el pergamino (el soporte) es inútil, pues la técnica del radiocarbono ya certificó su autenticidad. Si el mapa es falso será porque se haya pintado recientemente con tinta moderna que simule tinta antigua. Por tanto, lo que habría que estudiar es la tinta. Obtener una imagen completa no aportaría nada porque ya tenemos una imagen del mapa que se verá siempre mejor por métodos microscópicos que cualquier imagen Raman. Además, la búsqueda de compuestos bioquímicos en las huellas dactilares no aportaría mucho, ya que el pergamino las tendrá sin duda, tanto antiguas como modernas.
Se han hecho muchos estudios de este documento y hay autores que defienden su autenticidad y autores que la niegan. Entre estos últimos están quienes han hecho espectros Raman de regiones microscópicas de la tinta y han encontrado anatasa (TiO2), que es un pigmento que se empezó a añadir a las tintas en el siglo XX para mejorar sus propiedades.
