5. Espectroscopía de absorción UV-visible y de luminiscencia

Espectroscopía de absorción UV-visible

No sólo los átomos pueden absorber energía para después emitirla; también las moléculas (conjuntos de átomos) lo hacen. Muchas moléculas se excitan cuando se irradian con fotones de diversa energía. En este tema se estudia cómo lo hacen cuando se irradian con luz o con fotones ultravioleta, y el partido que de ello puede sacarse. (Este fenómeno, por cierto, justifica en muchos casos el color que presentan muchas sustancias químicas, color que es el complementario del de la radiación UV-visible absorbida.)  Después de la excitación las moléculas se relajan, entre otros modos emitiendo luz fluorescente o fosforescente. Esa es la base de la espectroscopía de luminiscencia.

Los espectros de absorción UV-visible no están formados de picos como en espectroscopía atómica o en fluorescencia de rayos X, sino de bandas más o menos anchas. La anchura de estas señales, su posición en el espectro, su intensidad e incluso su número dependen de diversos factores, como el estado físico (más estrechas en gases), la naturaleza del disolvente, la temperatura, el pH… El hecho de que aparezcan pocas bandas y que sean tan dependientes de variables externas hace que esta técnica sea poco adecuada para la identificación, si bien sí suele ser posible adscribir la especie a la familia química correspondiente o averiguar la presencia en la molécula de grupos químicos absorbentes o cromóforos.

Sin embargo, la espectroscopía de absorción UV-visible sí es muy apropiada para realizar análisis cuantitativos una vez conocida la naturaleza de la muestra, ya que la ley de Beer se cumple muy bien. Incluso puede aplicarse normalmente la ley de aditividad de absorbancias, según la cual la absorbancia de una mezcla es la suma de la absorbancias de los componentes individuales.

La técnica es idónea para compuestos orgánicos líquidos, gaseosos o en disolución que poseen instauraciones (enlaces múltiples); para iones de elementos de transición, libres o compuestos (Cr³⁺, MnO₄^–…) y para compuestos organometálicos de lantánidos y actínicos. También es aplicable a compuestos no absorbentes de radiación UV-visible si son capaces de unirse a un reactivo de modo que se forme un compuesto absorbente. La técnica permite, por otro lado, detectar fotométricamente el punto de equivalencia en muchas valoraciones.

Los aparatos para espectroscopía UV-visible constan de una fuente, un monocromador y un detector y suelen ser relativamente sencillos y baratos en comparación con los instrumentos requeridos en otras técnicas.

Espectroscopía de luminiscencia

Tras la absorción de radiación UV-visible las moléculas pueden relajarse de modo no radiante (calor) o radiante; en este caso pueden hacerlo de dos modos: por fluorescencia y por fosforescencia, formas ambas de fotoluminiscencia.  La primera técnica se emplea mucho más. Aunque no es muy apropiada para identificar sustancias, sí lo es para cuantificarlas (incluso es mejor que la absorción UV-visible) porque la señal es lineal con la concentración en un intervalo bastante ancho y los límites de detección son muy bajos. El inconveniente es que sólo una pequeña parte de los compuestos orgánicos son luminiscentes. Además, los efectos de matriz son considerables. En general, hay que prestar atención a  todas las causas que puedan producir quenching (desactivación de la fotoluminiscencia).

En estas técnicas se trabaja con dos tipos de espectros, el llamado de excitación (esencialmente igual al de absorción) y el de emisión. Los mejores fluorímetros son los que pueden registrar ambos. Hoy día estas técnicas se han implementado en pequeños dispositivos llamados sensores que miden automáticamente la concentración de uno o varios analitos (por ejemplo, el sensor de fluorescencia de oxígeno).

En medio ambiente las técnicas fotoluminiscentes permiten estudiar especies de interés ambiental tanto líquidas como sólidas y gaseosas. Se han adaptado sondas de fluorescencia a penetrómetros para estudiar subsuelos.

Relacionada con la fotoluminiscencia está la técnica de la quimioluminiscencia, consistente en medir la luminiscencia producida en una reacción química. También se pueden hacer análisis inmunoquímicos (reacción de un antígeno con un anticuerpo) con ayuda de la fotoluminiscencia.

Técnicas relacionadas

La turbidimetría, la nefelometría, la refractometría, la espectrometría fotoacústica, la polarimetría, la dispersión óptica rotatoria o el dicroísmo circular  son otras técnicas en las que se hace uso de la luz visible (o ultravioleta o infrarroja) para estudiar la materia.

Este es un resumen del capítulo 5 del libro:

José M.ª Gavira Vallejo, Antonio Hernanz Gismero: Técnicas Fisicoquímicas en Medio Ambiente. UNED, 2011 (Colección Grado,6101206GR01A01). ISBN 13: 978-84-362-6389-3. https://triplenlace.com/aula-libros/tfqma/ .

Estas son las tres primeras páginas del capítulo: