1. Sobre las técnicas IR y Raman, solo una de las siguientes afirmaciones es falsa.
(A). En general, el espectro IR recogerá mejor los modos de vibración simétricos, mientras que en Raman aparecerán mejor los asimétricos.
(B). Normalmente, la preparación de muestras en IR es más laboriosa que en Raman.
(C). En general, en el espectro Raman se manifestarán mejor que en el IR las vibraciones de grupos no polares.
(D). Las vibraciones que impliquen cambio de polarizabilidad se observarán mejor en Raman, en tanto que las que impliquen cambio de momento dipolar aparecerán preferentemente en IR.
Solución: A. Teóricamente, la simetría de una molécula, o la falta de ella, explica que algunos modos de vibración sean activos o no en estas técnicas. Veamos un ejemplo sencillo: el CO2. Es una molécula lineal cuya estructura es O=C=O. Su momento dipolar total se puede considerar la suma vectorial de los momentos de ambos enlaces. Como ambos momentos dipolares son iguales y de sentido contrario, se compensarán, lo que hará que el momento dipolar total sea cero. La vibración de tensión simétrica alargará y acortará los enlaces, cambiando el valor del momento dipolar de cada enlace, pero el global seguirá siendo cero. Como las bandas IR surgen de cambios de momento dipolar, este modo simétrico del CO2 no será activo en IR. Sin embargo, sí lo será el modo de tensión asimétrica porque consiste en el alargamiento de un enlace y, al mismo tiempo, el acortamiento del otro. Ese movimiento sí supone un cambio periódico del momento dipolar.
En cuanto al efecto Raman, está vinculado al cambio de polarizabilidad de las moléculas con la vibración. La polarizabilidad es la capacidad que tienen las moléculas de experimentar una separación de cargas en un campo eléctrico. El modo de tensión simétrica del CO2 aumenta y acorta el tamaño de la molécula periódicamente, lo que hace que cambie periódicamente su facilidad de ser polarizada. Por eso es activo en Raman.
En general, comparando ambas técnicas, podemos decir que los modos simétricos tendrán más intensidad en los espectros Raman que en los IR.
Por otra parte, como la espectroscopía IR está basada en el cambio de momento dipolar, en principio una molécula polar será más susceptible de ser estudiada por IR que una apolar.
Finalmente, en IR es más laborioso, en general, preparar las muestras que en Raman, si bien en ciertas modalidades de la técnica IR (especialmente las de reflexión) no se requiere apenas preparación. Habitualmente, para registrar un espectro IR de transmisión se necesita dispersar la muestra en una sustancia que absorba poco en IR (por ejemplo, KBr) porque la radiación de las fuentes IR tiene muy poca intensidad y una concentración alta de la muestra podría absorberla totalmente impidiendo que llegue ninguna radiación al detector. Otro problema del IR es la humedad, dado que el agua absorbe fuertemente, tanto en estado líquido como en fase de vapor. También absorben otros gases atmosféricos, particularmente el CO2, por lo que los espectros deberían realizarse en vacío o, si no, al menos restarles la contribución de los gases atmosféricos. Respecto a la técnica Raman, la preparación de la muestra exige muy pocas prevenciones en cualquiera de sus modalidades.
2. La espectroscopía IR por transformada de Fourier (IRTF) tiene algunas diferencias fundamentales con la espectroscopía IR dispersiva (IRD). Al respecto, una de las siguientes afirmaciones es falsa.
(A). En IRFT el detector recibe fotones IR de todas las longitudes de onda simultáneamente, lo que disminuye el tiempo de registro.
(B). Una de las desventajas de la IRTF es que se necesita más intensidad de luz de la fuente IR para lograr la misma relación de señal a ruido que se consigue en IRD.
(C). En IRTF la exactitud y la precisión en la medida de las números de ondas son mayores que en IRD.
(D). La clave del IRTF está en los espejos, mientras que la del IRD está en la red de difracción.
Solución: B. En espectroscopía IR dispersiva se usan redes de difracción para dispersar espacialmente la radiación, la cual se va aislando secuencialmente en estrechos intervalos de frecuencias mediante una red de difracción. De este modo, se van haciendo llegar a la muestra fotones de “una sola” frecuencia en cada momento. Pero esto tiene inconvenientes. Primero, como acabamos de decir, en realidad no se aíslan fotones de una frecuencia exacta, sino de un intervalo de frecuencias más o menos estrecho, según la resolución del instrumento. En segundo lugar, el procedimiento hace que la radiación que llega a la muestra en cada momento tenga una potencia muy baja, ya que a la baja potencia de las fuentes IR se añade el inconveniente de que la red de difracción solo deja pasar hacia el detector una fracción muy pequeña de la radiación. En tercer lugar, la red de difracción se tiene que mover físicamente mediante un motor, lo que puede acarrear problemas de calibración. En cuarto, la obtención del espectro de una muestra por esta técnica dispersiva requiere mucho tiempo, máxime cuando habitualmente no basta un solo barrido, sino que se necesitan muchos para aumentar la relación de señal a ruido.
Estos inconvenientes los palia la espectroscopía interferométrica porque en dicha técnica se usa un interferómetro, que es un instrumento que, como su nombre indica, produce interferencias constructivas y destructivas de la radiación gracias a un sistema basado en dos espejos, uno fijo y uno móvil (en esta técnica también es fundamental un componente óptico llamado divisor de haz). El sistema permite que al detector lleguen simultáneamente radiaciones de todas las longitudes de onda. Es lo que se llama la ventaja de Felgett. Lógicamente, esto redunda en el aumento de la relación de la señal al ruido (ventaja de Jacquinot) y reduce extraordinariamente el tiempo de registro.
Por otra parte, en IRTF la escala de longitud de onda se calibra mediante un rayo láser de longitud de onda conocida que pasa a través del interferómetro. Con eso se consigue una mayor exactitud y precisión que en los instrumentos dispersivos (ventaja de Connes), en los que, como hemos dicho, la escala está vinculada al movimiento mecánico de las redes de difracción.
3. En la siguiente imagen se comparan los espectros IR y Raman de cierta sustancia química. ¿Qué se podría decir al respecto?
(A). Las moléculas de esta sustancia tienen 20 modos normales de vibración.
(B). La diferente magnitud de las intensidades de las bandas en IR y Raman revela que los espectros se han registrado en diferentes equipos.
(C). Parecen los espectros de una molécula centrosimétrica.
(D). La muestra de la que se hizo el espectro IR estaba algo más concentrada que aquella de la que se registró el Raman.
Solución: C. Se observa en los espectros que prácticamente no coincide el número de ondas de ninguna banda IR con el de alguna Raman. Esto podría deberse a que se trata de una molécula centrosimétrica. Existe una regla muy importante en espectroscopía de vibración, llamada de exclusión mutua, según la cual en las moléculas que poseen un centro de inversión o centro de simetría (centrosimétricas) ningún modo normal puede ser activo tanto en infrarrojo como en Raman. En una molécula centrosimétrica, si un modo de vibración al producirse conserva el centro de simetría, el modo será inactivo en IR, aunque puede que sea activo en Raman (no tiene por qué serlo obligatoriamente). Lo contrario ocurre si en la misma molécula la vibración hace que no se conserve el centro de simetría. Para moléculas sin centro de simetría algunas vibraciones pueden ser activas tanto en IR como en Raman. Y en moléculas que tienen determinados elementos de simetría que no sean un centro de simetría se puede producir actividad o en IR o en Raman. (Hay que subrayar que la regla de exclusión mutua no significa que un modo vibratorio no activo en Raman tenga que ser activo en IR o viceversa. Hay modos que son activos en ambas técnicas y hay modos que no son activos en ninguna de ellas).
En los espectros de la figura se ven en conjunto unas 20 bandas, pero eso no significa que la molécula en cuestión tenga 20 modos normales de vibración, ya que, por lo dicho antes, puede haber modos no activos ni en IR ni en Raman. (De hecho, los espectros de la imagen son los del benceno, C6H6, molécula que tiene 3·6 – 6 = 30 modos normales de vibración).
Por otra parte, la respuesta que dice que la diferente magnitud de las intensidades de las bandas en IR y Raman revela que los espectros se han obtenido en diferentes equipos no es muy sensata. Primero, porque es lógico y obligatorio que ambos espectros se hayan registrado en distintos equipos (un espectrofotómetro IR y un espectrofotómetro Raman). Segundo, porque la variable medida en el eje de ordenadas es muy distinta en ambos casos: transmitancia en IR, que está relacionada con la cantidad de luz absorbida por la muestra y que varía entre 0 y 1; o unidades arbitrarias en Raman (se les suele llamar cuentas por segundo debido a que se puede considerar que son los fotones que cuenta el detector por segundo). (Lo que se mide en Raman es una emisión de radiación, mientras que en IR se trata de transmisión o, visto a la inversa, una absorción de radiación).
Finalmente, no cabe establecer una correlación clara y precisa entre las intensidades de las bandas IR y Raman porque las actividades IR y Raman surgen de distintos fenómenos: camio de momento dipolar o cambio de polarizabilidad, respectivamente.
4. En un espectro IR de transmisión, la absorbancia, por su definición, puede tomar valores entre 0 e infinito, pero las muestras deberían prepararse de modo que la banda más intensa tenga una absorbancia del orden de…
(A). 1000
(B). 100
(C). 10
(D). 1
Solución: D. Basta inspeccionar cualquier espectro IR experimental para comprobar que la absorbancia de las bandas está normalmente entre 0 y 1. La absorbancia se define como –log T, siendo T la transmitancia, que se mide entre 0 y 1. Si la muestra deja que se transmita el 100 % de la radiación, la absorbancia sería 0 y no obtendríamos señal. Pero si deja que se transmite excesivamente poca radiación, aunque la absorbancia sería muy alta, al detector realmente le estaría llegando muy poca radiación y las medidas serían poco fiables. Por eso, la mayoría de los instrumentos no dan valores de absorbancia por encima de unas pocas unidades; si la absorbancia supera estos valores, los instrumentos simplemente “cortan” la banda por su parte superior, mostrando una meseta plana. Se suele decir gráficamente que el detector se ha “saturado”, si bien la palabra es equívoca, ya que no es que le llegue demasiada radiación, sino que le llega demasiado poca.
El valor de la absorbancia máxima puede controlarse preparando la muestra adecuadamente. Por ejemplo, para registrar un espectro de transmisión de IR medio apropiado para un análisis cualitativo o con fines de clasificación de una muestra de tejido, se requiere que el espesor de la muestra sea de aproximadamente de 5 a 10 μm. Si el espesor es mayor, algunas bandas de absorción podrán tener valores de absorbancia demasiado altos. Por eso, normalmente las muestras se diluyen. (En IR, para muestras sólidas, se aplica bastante una técnica de dilución que consiste en dispersar la muestra en KBr). Pero si el espesor es mucho menor, la señal puede ser tan baja que se confunda con el ruido.
Hay estudios que demuestran que la absorbancia ideal debería estar entre 0,7 y 1,0.
5. En la técnica de la reflexión total atenuada en IR medio, la profundidad de penetración de la onda evanescente en la muestra será mayor…
(A). a menor longitud de onda de la radiación.
(B). si se emplea un cristal de diamante (índice de refracción n = 2,4) en vez de uno de germanio (n = 4,1).
(C). si se aumenta el ángulo de incidencia.
(D). si se deja una fina de película de aire entre el elemento de reflexión interna y la muestra.
Solución: B. En la técnica de la reflexión total atenuada (RTA) la muestra, que tiene un determinado índice de refracción, n2, se coloca en contacto íntimo con un elemento óptico de reflexión interna (un cristal de RTA) de índice de refracción, n1, más alto, siendo además tal elemento óptico transparente (o casi) a la radiación IR. La radiación del IR medio que pasa a través de este elemento se reflejará en la cara que está en contacto con la muestra si esta tiene un índice de refracción más bajo y siempre que el ángulo de incidencia sea mayor que el ángulo crítico.
Pero parte de la radiación penetrará en la muestra hasta cierta profundidad, produciéndose lo que se llama una onda evanescente que será atenuada por las características de absorción de la radiación IR de la muestra. La profundidad de penetración, dp (que normalmente está entre 0,3 y 3 μm) dependerá de la longitud de onda de la radiación IR, del ángulo de incidencia y de los índices de refracción del cristal de RTA y de la muestra según la siguiente expresión, llamada de Harrick:
En ella, n21 = n2 / n1.
Esto significa que la profundidad de penetración será menor cuanto mayor sea el índice de refracción del elemento de reflexión interna, n1. Tal dependencia está clara por el primer factor del denominador, pero también por el segundo porque cuando más alto es n1, más bajo es el cociente n21 y mayor es el término entre paréntesis.
Por otra parte, también es una conclusión obvia de la fórmula que la profundidad de penetración aumenta con el aumento de la longitud de onda. Una consecuencia de esto es que, en comparación con un espectro de transmisión, las intensidades de absorción relativas aumentarán al aumentar la longitud de onda. Para evitar este inconveniente se emplean algoritmos que hacen correcciones, consistentes esencialmente en dividir las intensidades espectrales RTA por sus correspondientes longitudes de onda, generando así un espectro en el que las bandas a lo largo del espectro son más similares en intensidad relativa a las registradas en un espectro de transmisión de la muestra.
En cuanto al ángulo de incidencia de la radiación del IR medio, cuanto mayor sea, menor será la distancia de penetración (no obstante, es una variable que no se considera habitualmente porque los objetivos ópticos de RTA de los microscopios comerciales tienen un ángulo de incidencia fijo que suele ser de 45o).
(Por otro lado, debido a fenómenos de dispersión anómala, las formas de las bandas en un espectro de RTA también son ligeramente diferentes a las de un espectro de absorción, pudiendo cambiar ligeramente las posiciones de los máximos de las bandas hacia números de ondas más bajos. Cuanto más cerca esté el ángulo de incidencia del ángulo crítico, mayor será la distorsión de las bandas intensas en los espectros de RTA. No obstante, se han ideado algoritmos que corrigen estas distorsiones).
6. ¿Cuál de los siguientes procedimientos no sirve para mejorar la resolución lateral es microespectroscopía IR?
(A). Usar ondas evanescentes.
(B). Emplear una fuente IR de sincrotrón.
(C). Aprovechar la relajación vibracional no radiativa.
(D). Favorecer la difracción de la radiación IR dentro del instrumento.
Solución: D. La resolución espacial en microespectroscopía IR está estrictamente limitada por la difracción de la radiación. Pero hay técnicas que sacan partido de otros efectos para paliar este problema; estas técnicas constituyen lo que se llama microespectroscopía IR de campo próximo.
Una de las posibilidades es usar ondas evanescentes que se generan en la punta de una sonda apropiada. También se puede emplear una sonda térmica. La muestra absorbe la radiación IR media en sus frecuencias de absorción características. Después se deja que la excitación vibracional se relaje mediante un proceso no radiativo, de modo que la energía se convierta en calor en forma de onda térmica. Las correspondientes fluctuaciones de temperatura se pueden registrar en función de la frecuencia; es lo que se llama el llamado efecto fototérmico. Esto funciona especialmente bien si se usa radiación IR de sincrotrón, pues consiste en un haz bien definido de unos 10 μm de radio cuya divergencia es muy baja, de modo que sus fotones están contenidos dentro de un área transversal estrecha.
7. Una de las siguientes afirmaciones sobre la radiación de sincrotrón en el IR medio en comparación con la radiación de una fuente térmica convencional de cuerpo negro no es cierta.
(A). El brillo de la radiación de sincrotrón es mayor.
(B). La potencia de la radiación de sincrotrón es mayor.
(C). La intensidad de la señal IR que llega al detector en un microscopio confocal IR es mayor con fuente de sincrotrón.
(D). La relación de señal a ruido es mayor si se usa una fuente de sincrotrón.
Solución: B. La radiación de IR medio de un sincrotrón ofrece bastantes ventajas cuando se utiliza como fuente en microespectroscopía IRTF. El haz IR que emana del sincrotrón tiene una divergencia muy baja, de modo que los fotones quedan confinados en un haz bien definido de área transversal muy estrecha, lo que hace que la radiación sea mucho más brillante que la de las fuentes térmicas utilizadas convencionalmente en espectroscopía IRTF. Sin embargo, aunque más brillante, la radiación de IR de sincrotrón es menos potente que la de una fuente térmica convencional como un el glóbar (varilla de carburo de silicio calentada). (La radiación IR de sincrotrón sí es más potente que la glóbar en la región del IR lejano, ventaja que se aprovecha para los estudios en esta región). Ahora bien, en el IR medio el brillo compensa a la menor potencia de la fuente y por eso la intensidad de la señal que llega al detector cuando se utiliza una fuente de sincrotrón es mayor en conjunto. En cuanto a la relación de señal a ruido en el IR medio, es bastante mayor cuando se usa radiación de sincrotrón que cuando se emplea una fuente térmica.
8. ¿Para qué se utiliza una matriz de plano focal en espectroscopía?
(A). Para obtener imágenes espectroscópicas.
(B). Como detector exclusivamente cuando se usa como fuente radiación IR de sincrotrón.
(C). Como fuente en microscopía IR por transformada de Hadamard.
(D). Como sonda en microespectroscopía IR de barrido.
Solución: A. Una matriz de plano focal (en inglés focal plane array, FPA) es un sensor que consiste en una matriz de píxeles sensibles a la luz en el plano focal de una lente y que normalmente se usa para registrar imágenes, ya sea fotográficas (o de vídeo) o espectroscópicas.
En espectroscopía, como un detector de este tipo en realidad consiste en miles de elementos individuales o píxeles dispuestos en forma de matriz, cada elemento detecta fotones procedentes de un lugar físico concreto de la muestra, lo que permite obtener su imagen espectroscópica. Dicho de otro modo, la discriminación espectral la proporciona el interferómetro y la resolución espacial los elementos detectores de la matriz de plano focal. El sistema permite obtener la imagen formada por todos los píxeles en brevísimo tiempo, poco mayor que el que se necesita para un solo píxel.
Por lo dicho, la matriz de plano focal es un tipo de detector, pero no se puede decir que se use exclusivamente cuando la fuente es de sincrotrón.
9. ¿Cuáles de las siguientes afirmaciones sobre la resolución en el mapeo por microespectroscopía IR es falsa?
(A). El uso de una segunda apertura para disminuir luz parásita aumenta la relación de señal a ruido.
(B). Aumentar el tiempo de exposición a la radiación empobrece la resolución temporal.
(C). Si se hacen más grandes las aperturas se pierde resolución espacial.
(D). En algunos casos se pueden emplear ópticas refractivas para mejorar la resolución.
Solución: A. La fuente de error principal en microespectroscopía IR proviene de las aperturas ópticas, ya que son las mayores responsables de los fenómenos de difracción. La difracción provoca que al detector llegue luz parásita de los lóbulos secundarios del patrón de difracción. Por lo tanto, la información espectral que obtiene el detector se extiende sobre un área más grande que la que correspondería teóricamente en función de la apertura seleccionada. Esto va en detrimento no solo de la nitidez, sino también de la medida de la absorbancia.
El problema puede paliarse usando una segunda apertura o apertura redundante, pero a costa de disminuir la cantidad de luz que llega al detector, lo que disminuiría la relación de señal a ruido. También se puede aumentar el tiempo de exposición para que el detector reciba más luz en total, pero si se está estudiando un sistema que varía con el tiempo (por ejemplo, una muestra que se está oxidando), esta estrategia irá en detrimento de la resolución temporal (como cuando vemos movida en una fotografía la figura de una persona que está corriendo). Y si se hace la apertura más grande para que entre más luz, como hemos dicho, se perderá resolución espacial.
En algunos casos, si el intervalo de longitudes de onda que se va a utilizar permite el uso de los materiales adecuados (por ejemplo, CaF2) se pueden emplear fácilmente ópticas refractivas que proporcionen aperturas y resoluciones espaciales más altas, aunque tendrían que corregirse eventuales aberraciones cromáticas.
10. ¿En cuál de las siguientes técnicas no se usa interferómetro?
(A). Microespectroscopía IR de campo próximo
(B). Imagen IR basada en diodos
(C). Microespectroscopía IR por transformada de Hadamard
(D). Microespectroscopía IR con fuente de sincrotrón
Solución: B. Un enfoque alternativo al uso de interferómetros para obtener imágenes es usar otra fuente que proporcione discriminación espectral directamente. Una de esas fuentes es un láser de diodo infrarrojo. En las otras técnicas mencionadas sí es razonable que se usen interferómetros.
11. Una sola de las siguientes afirmaciones sobre la espectroscopía Raman es cierta.
(A). La técnica se podría usar para medir la temperatura de la muestra.
(B). Si se excita con radiación visible en vez de con radiación IR el efecto Raman teóricamente debería ser menor.
(C). A temperatura ambiente, la dispersión anti-Stokes es más intensa que la Stokes, pero más difícil de registrar.
(D). La relación entre el número de moléculas en un estado excitado y en el estado fundamental puede llegar a ser prácticamente 0 si la temperatura es suficientemente alta.
Solución: A. A temperatura ambiente, el número de moléculas en los estados vibratorios excitados será bajo. Esto se puede demostrar usando la ecuación de Boltzmann: NV / N0 = exp (–Ev/(RT)), siendo NV el número de moléculas en un estado excitado, N0 el número de moléculas en el estado fundamental, EV la diferencia de energía entre ambos estados, R la constante de los gases y T la temperatura. Por ejemplo, la vibración de tensión C=C a 1612 cm–1 de un anillo de benceno requiere unos 12 kJ/mol de energía para excitar la oscilación desde el estado fundamental al primero excitado. Usando la ecuación anterior, la fracción de moléculas de benceno en el estado excitado a 20 C es 0,0073, pero si la temperatura es 1000 K la fracción sube a 0,24, y si la temperatura es 10000 K la fracción es 0,86. Es decir, cuando la temperatura va subiendo, la relación NV / N0 no va tendiendo a 0, sino a 1.
Precisamente por estar muy despoblados los estados excitados, a temperatura ambiente es poco probable que los fotones incidentes encuentren moléculas en un estado excitado y por lo tanto que se produzca dispersión anti-Stokes.
También se puede entender por lo argumentado antes que la relación de intensidades entre una línea Stokes determinada y la correspondiente anti-Stokes será función de la temperatura. Gracias a esto, la espectroscopía Raman se puede usar para medir la temperatura de una muestra, haciendo previamente la calibración correspondiente.
Por otro lado, el efecto Raman puede ser inducido por luz de todas las frecuencias. Sin embargo, la sección transversal para un proceso de dispersión inelástica es proporcional a λ–4, siendo λ la longitud de onda del fotón incidente. Por ejemplo, los fotones de 300 nm de longitud de onda (luz UV) tienen una sección transversal de dispersión dieciséis veces mayor que los fotones de 600 nm (luz amarilla). Por eso, el efecto Raman se provoca mejor con radiación visible que con radiación IR, ya que la longitud de onda de la segunda es mayor.
12. ¿Qué podría estar representando el siguiente esquema?
(A). Se trata de un interferograma listo para aplicarle la transformada de Fourier y obtener el espectro Raman o IR correspondiente.
(B). Es la comparación de los modos de actuar de dos tipos de filtros en Raman.
(C). Se está comparando la intensidad de las regiones Stokes y anti-Stokes del efecto Raman.
(D). Indica la saturación de un detector de Raman a partir de unos 640 nm.
Solución: B. Para obtener un espectro Raman debe eliminarse la dispersión Rayleigh porque es tan intensa que enmascararía gran parte de las señales. Esto se puede conseguir de forma bastante efectiva utilizando diferentes sistemas de filtrado de la radiación. (Uno de ellos es el filtro de ranura, también conocido como filtro de rechazo de banda o bien con su nombre inglés notch; suele estar configurado de modo que la señal Raman se pueda registrar a partir de 50 o 100 cm–1).
La figura está mostrando con una línea verde el valor de longitud de onda a la que aparecería la línea Rayleigh (es decir, la señal del láser sin experimentar dispersión en longitud de onda). Con color azul se muestra cómo actuaría un tipo de filtro que no dejara pasar radiación de unos ± 15 nm alrededor del valor de longitud de onda del láser. Y en rojo se ve la acción de otro filtro que no dejaría pasar ningún fotón cuya longitud de onda fuera menor de aproximadamente 640 nm.
13. ¿Cuál es el mínimo valor de número de ondas que se registra en los espectros IR y Raman en los instrumentos de uso habitual en los laboratorios?
(A). En Raman se mide desde 50 o 100 cm–1; en IR desde unos 400 cm–1.
(B). 0 cm–1 tanto en IR como en Raman con la condición de que se use el filtro y el detector adecuados (este ha de estar refrigerado con N2 líquido).
(C). En IR se puede medir desde unos 700 cm–1; en Raman depende de la λ de la línea excitatriz (ej.: para láser verde se puede medir un número de ondas mínimo de unos 495 nm).
(D). En IR, el valor mínimo registrable está unos 100 cm–1 por debajo del valor mínimo que se puede registrar en Raman.
Solución: A. Con el filtro adecuado, en general la señal Raman se puede registrar desde 50 a 100 cm–1 aproximadamente. En cuanto a los instrumentos IR comerciales, normalmente el límite inferior de medida es 400 cm–1. Por debajo de ese valor los detectores habituales no suficientemente sensibles. Eso descarta la respuesta que dice que en IR se puede medir desde 0 cm–1. Pero, además, en Raman tampoco es posible porque ese es el valor de número de ondas al que aparece la línea Rayleigh, la cual, aparte de no aportar información vibracional, ha de ser filtrada para que no enmascare bandas de sus proximidades.
La respuesta que contiene la frase “para láser verde se puede medir un número de ondas mínimo de 495 nm” no se puede aceptar, entre otras razones, porque el número de ondas no se mide en nm.
14. Comparando las técnicas de IR medio y Raman, una de las siguientes afirmaciones es falsa.
(A). En Raman el agua no interfiere excesivamente; en IR, mucho.
(B). En Raman puede interferir la fluorescencia, que no es un motivo de preocupación en la técnica IR.
(C). La fibra óptica se puede implementar sin problemas en ambas técnicas.
(D). En general, las bandas Raman son más estrechas que las IR.
Solución: C. La presencia de H2O puede resultar un grave inconveniente en la técnica IR debido a la fuerte absorción de radiación por los grupos OH de esta molécula. Sin embargo, en la técnica Raman estos grupos dan una banda mucho menos intensa y eso permite, por ejemplo, estudiar in vivo tejidos humanos, la mayoría de los cuales contienen entre un 70 y un 80 % de agua. (En espectroscopía de IR próximo el agua no representa problema como en IR medio).
Por otro lado, la luz de la fuente y la luz dispersada Raman tienen longitudes de onda ideales para la transmisión a través de fibras ópticas, pues corresponden al visible, pero no es el caso de la radiación del IR medio.
En cuanto a la interpretación de los espectros, los de IR suelen ser más complicados porque las bandas son más anchas y se solapan. Incluso aumentando la resolución espectral en IR no se consigue disminuir significativamente la anchura de la banda.
Finalmente, la fluorescencia sí que es un inconveniente importante en Raman. La excitación de la muestra con láser UV-visible puede provocar en ella tránsitos electrónicos con la correspondiente relajación posterior por fluorescencia. Las bandas de fluorescencia son muy intensas y enmascaran el espectro Raman. Este efecto se puede paliar si se usar un láser IR.
15. ¿Cuál de las siguientes técnicas no sirve para intensificar significativamente la señal Raman?
(A). Acercar a la muestra una aguja de oro de tamaño atómico.
(B). Colocar la muestra en una suspensión coloidal de nanopartículas plasmónicas.
(C). Usar un láser cuya frecuencia sea próxima a la de la excitación electrónica.
(D). Usar un láser IR como fuente de excitación en vez de uno visible o UV.
Solución: D. El Raman es un efecto muy débil; se estima que aproximadamente uno de cada 108 fotones sufre dispersión Raman espontánea. Se puede recurrir a varios métodos para mejorar el rendimiento de un experimento Raman. El más inmediato es aumentar la potencia del láser, pero esto puede tener consecuencias negativas, como que la muestra se degrade fotoquímicamente e incluso que se queme.
La colocación de la muestra sobre la superficie de ciertos metales puede proporcionar una mejora de varios órdenes de magnitud de la señal Raman. La técnica correspondiente se puede llamar espectroscopía Raman amplificada por superficies (ERAS, o SERS, en sus siglas en ingles). Se han propuesto dos mecanismos concomitantes para explicar el aumento de la señal Raman por esta técnica. Uno tiene fundamentos electromagnéticos y se basa en que los plasmones superficiales concentran el campo eléctrico local en los bordes afilados de las nanoestructuras o en regiones donde hay gran concentración de portadores de carga libres. El segundo mecanismo, que contribuye menos que el anterior, es electroquímico y consistiría en transferencias de carga entre la superficie metálica y la muestra. Como sustratos se suelen emplear nanoestructuras metálicas construidas sobre soportes sólidos y suspensiones coloidales de nanopartículas plasmónicas. Los materiales más comunes utilizados para fabricar sustratos de ERAS son el oro y la plata debido a su buena respuesta plasmónica.
Otra estrategia de mejora de la señal Raman es el uso de nanoagujas metálicas. La técnica se llama espectroscopía Raman amplificada por puntas (ERAP, o TERS en sus siglas inglesas). Esta técnica combina la espectroscopía Raman con la microscopía óptica de campo próximo. Su resolución espacial va mucho más allá del límite de difracción de la luz del láser que se emplea para la excitación. Los factores de mejora para la ERAP son significativamente más débiles que los de la ERAS, pero aun así la señal es mucho más alta que la del Raman espontáneo. Al igual que en la ERAS, se cree que dos tipos de mecanismos de mejora contribuyen a la señal Raman: electromagnético y electroquímico.
Por otra parte, para aumentar la señal no interesa usar un láser IR porque el efecto Raman cae con la cuarta potencia de la longitud de onda. Si se emplean láseres IR es porque disminuyen mucho la probabilidad de fluorescencia.
Finalmente, en Raman normal los fotones de la fuente láser hacen que las moléculas se exciten a estados de energía situados entre dos niveles electrónicos. No son estados de energía bien definidos del sistema, y por eso se dice que son virtuales. Pero a medida que la energía de los fotones se acerca a la necesaria para producir una transición electrónica desde el nivel fundamental hasta uno excitado, la dispersión Raman aumenta debido a que aumenta la probabilidad de que se produzcan ciertos efectos llamados de resonancia. Se puede decir que la técnica se llama entonces de prerresonancia Raman. Si la frecuencia de excitación coincide exactamente con la necesaria para la transición electrónica, la interacción se denomina propiamente dispersión Raman de resonancia y la señal puede exceder de la de la dispersión Raman normal en varios órdenes de magnitud.
16. ¿En cuál de las siguientes técnicas Raman es preciso emplear dos láseres?
(A). Microespectroscopía Raman amplificada por puntas
(B). Espectroscopía Raman amplificada por superficies
(C). Microespectroscopía Raman anti-Stokes coherente
(D). Microespectroscopía Raman confocal
Solución: C. La espectroscopía Raman anti-Stokes coherente (ERAC, o CARS en sus siglas en inglés) requiere utilizar dos fuentes láser colineales que se sincronizan mediante la configuración óptica adecuada. Los láseres han de tener diferente frecuencia. La de uno es fija; la del otro se ha de ir modificando, para lo que se emplea lo que se llama un láser sintonizable. Lo que se pretende es conseguir que la diferencia entra ambas frecuencias coincida con la de una transición vibracional (o rotacional). Eso provoca una inversión poblacional en los estados de energía vibracional que induce coherentemente la emisión de radiación anti-Stokes.
Las técnicas ERAS y ERAP (espectroscopía Raman amplificada por superficies o por puntas, respectivamente; SERS y TERS en sus siglas en inglés) solo precisan un láser. Estas técnicas consisten en intensificar la dispersión Raman producida por el láser mediante superficies rugosas o puntas atómicas de metales como el oro o la plata (también el aluminio).
Finalmente, por microespectroscopía Raman confocal no cabe entender otra cosa que microscopía Raman convencional pero que se lleva a cabo mediante un microscopio confocal. Este es un tipo de microscopio que, por su configuración óptica basada en una diminuta apertura (llamada pinhole en inglés), mejora el enfoque. La técnica espectroscópica correspondiente solo necesita un láser.
17. Para obtener el espectro Raman de cierta muestra se usa un láser de diodo de 639 nm. Se está estudiando una banda que aparece en la región anti-Stokes y que corresponde a un modo de vibración de 723 cm–1. ¿Qué característica de las siguientes tienen los fotones que producen dicha banda? (La constante de Planck vale 6,63·10–34 J s; la velocidad de la luz vale 2,998·108 m s–1).
(A). Serán fotones de la región del IR próximo.
(B). Su longitud de onda será de aproximadamente 670 nm.
(C). Su frecuencia será de 2,167·1013 s–1.
(D). Corresponderán a la zona del naranja del espectro visible.
Solución: D. En el eje de abscisas de los espectros Raman no se representan valores de números de ondas absolutos, sino diferencias de números de ondas respecto al número de ondas de la radiación excitatriz. Es lo que se llama desplazamiento Raman.
Existen estas relaciones entre energía (E), frecuencia (ν), longitud de onda (λ) y número de ondas (ṽ) de un fotón:
E = h ν = h c / λ = h cṽ
La longitud de onda de los fotones excitatrices en este caso es 639 nm = 639·10–9 m, que equivale a un número de ondas ṽ = 1 / λ = 1,5649·106 m–1 = 15649 cm–1. Los fotones emitidos que estamos considerando, como son anti-Stokes, tendrán mayor frecuencia que los de excitación. Es decir, tendrán mayor número de ondas. Concretamente, el valor del número de ondas de estos fotones será 15649 cm–1 + 723 cm–1 = 16372 cm–1, equivalentes a 610,80 nm, longitud de onda que corresponde a la región del naranja del espectro visible. Es decir, se ha producido el esperado desplazamiento hacia el azul característico de la radiación anti-Stokes.
18. ¿Hay diferencias entre mapeo e imagen espectroscópica?
(A). No; son términos que se emplean indistintamente.
(B). La diferencia es que la imagen es en color y el mapeo es en tonos de grises.
(C). El mapeo se realiza secuencialmente; la imagen normalmente se obtiene de una vez.
(D). Para obtener la imagen siempre se muestrean más puntos que para mapear.
Solución: C. El análisis de regiones localizadas de muestras mediante microespectroscopía vibracional se puede lograr de dos formas: mapeando u obteniendo imágenes.
El mapeo implica el registro secuencial de los espectros de regiones o puntos adyacentes de una muestra desplazando la muestra paso a paso para que reciba el haz en un nuevo punto después de registrar el espectro del anterior. La medición se repite hasta cubrir toda la zona de interés.
La obtención de una imagen espectroscópica es equivalente a tomar una fotografía digital. El proceso requiere que una imagen de la muestra se enfoque en un detector de matriz de plano focal formado por un número determinado de “píseles”.
Tanto el mapeo como la imagen pueden dar resultados en color, pero son colores falsos. El número de puntos para obtener la imagen o el mapeo es arbitrario. Depende de la resolución deseada, del tiempo de que se disponga, etc.
19. Algunos microespectrofotómetros Raman diseñados para hacer mapeos tienen sus componentes ópticos sumergidos en un aceite. ¿Para qué?
(A). Para disipar el aumento de temperatura producido por el láser durante el largo tiempo total de irradiación que se necesita.
(B). Para poder mover la platina del microscopio de modo más suave.
(C). Para que las gotas de aceite actúen como lentes de aumento.
(D). Para mejorar la resolución espacial.
Solución: D. La resolución espacial de un microscopio está determinada en última instancia por la difracción de la radiación. Se puede encontrar una correlación entre la resolución espacial y el índice de refracción del medio en el que está inmersa la óptica el instrumento. Este medio es normalmente aire, cuyo índice de refracción es aproximadamente 1. Pero el de ciertos aceites apropiados es superior a 1,5.
No es habitual trabajar con equipos de inmersión en aceite en microespectroscopía infrarroja debido a las absorciones de la radiación IR por el aceite (en esta técnica es más productivo mejorar la resolución espacial trabajando en modo de reflexión total atenuada usando como elementos de reflexión interna germanio o silicio, que tienen índices de refracción bastante altos). Sin embargo, ocasionalmente se ha usado aceite para mejorar la resolución espacial en microespectroscopía Raman.
20. ¿En qué región del espectro se observan sobre todo modos de tensión de átomos pesados y enlaces de hidrógeno intermoleculares?
(A). En el IR próximo
(B). En tono a 2500 cm–1
(C). En la región de terahercios
(D). En la región UV-visible
Solución: C
En espectroscopía se entiende por región de terahercios la que se extiende aproximadamente entre 0,05 y 4THz, correspondiendo en gran parte a lo que tradicionalmente se ha llamado IR lejano. En esa región se pueden observar bien vibraciones de frecuencias muy bajas como las correspondientes a tensiones en las que están implicados átomos pesados, modos de flexión del esqueleto de toda la molécula, ciertos modos de torsión o vibraciones en las que están involucrados enlaces de hidrógeno intermoleculares.
La espectroscopía de terahercios empezó a desarrollarse no hace muchos años gracias a la construcción de los instrumentos adecuados. La región que se registra es la que está aproximadamente entre poco más de 1 cm–1 y unos 130 cm−1, inalcanzable para los instrumentos de IR medio. Se utiliza como fuente un láser de pulsos ultracortos que genera ráfagas de radiación de terahercios coherente.
