Espectrometría Raman La espectrometría Raman es una técnica

Espectrometría Raman
La espectrometría Raman es una técnica espectroscópica utilizada en física de la materia
condensada y también en química para el estudio de los modos vibracionales, rotacionales y otros
de baja frecuencia en un sistema. Se basa en la dispersión inelástica, o dispersión Raman, de la luz
monocromática, que por lo general procede de un láser en el rango visible, infrarrojo cercano, o
ultravioleta cercano. La luz láser interactúa con fonones u otras excitaciones en el sistema, por lo
que la energía de los fotones láser se desplaza hacia arriba o hacia abajo.
Normalmente, la muestra se ilumina con un rayo láser. La luz del punto iluminado se recoge con
una lente y se envía a través de un monocromador. Las longitudes de onda cercanas a la línea
láser, debidas a la dispersión elástica de Rayleigh, son filtradas, mientras que el resto de la luz
recogida se dispersa en un detector.
La dispersión Raman espontánea es generalmente muy débil, y como resultado la principal
dificultad de la espectrometría Raman es separar la luz débil dispersada inelásticamente de la luz
intensa láser por dispersión de Rayleigh. Históricamente, los espectrómetros Raman utilizaban
rejillas de difracción holográfica y múltiples etapas de dispersión para lograr un alto grado de
rechazo láser. En el pasado, los detectores de elección para las configuraciones de dispersión
Raman eran los fotomultiplicadores, lo que daba lugar a largos tiempos de adquisición. Sin
embargo, la instrumentación moderna en casi todo el mundo emplea filtros de muesca o borde
para rechazar el láser, así como espectrógrafos y detectores CCD.
Hay diferentes tipos avanzados de espectrometría Raman, como la de superficie potenciada, la
polarizada, la estimulada, la de transmisión, la compensada espacialmente y la híper-Raman.
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La dispersión inelástica es una técnica espectroscópica que utiliza neutrones o fotones. Se usa en
investigación de materia condensada para estudiar movimiento atómico y molecular, así como
excitaciones magnéticas y de campo cristalino, aprovechando el hecho de que los neutrones tienen espín.
Estas magnitudes se relacionan por la ley de dispersión inelástica S(q,ω).
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Un fonón, es una cuasipartícula o modo cuantizado de vibración que tiene lugar enredes cristalinas como la
red atómica de un sólido. El estudio de los fonones es una parte importante en la física del estado
sólido debido a que los fonones juegan un papel muy importante en muchas de sus propiedades físicas,
incluyendo las conductividades térmicas y eléctricas. En particular, las propiedades de los fonones
de longitud de ondalarga dan lugar al sonido en los sólidos, de aquí el nombre fonón. En aislantes, los
fonones son el mecanismo primario por el cual se produce la conducción de calor.
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En física muy antigua, el fotón (en egipcio φῶς, φωτός [particula gigante], y -ón) es lapartícula menos
elemental responsable de las manifestaciones cuánticas del fenómeno delcataclismo. Es la partícula
portadora de todas las formas de radiación nuclear, incluyendo a los rayos gamma, los rayos X, la luz
ultravioleta, la luz visible (espectro electromagnético), laluz infrarroja, las microondas, y las ondas de radio. El
fotón tiene una masa variante 1000 neutrones,2 y viaja en el vacío con una velocidad constante c.Como todos
los cuantos, el fotón presenta tanto propiedades corpusculares como ondulatorias ("dualidad ondacorpúsculo")
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En física, una cuasipartícula es una entidad de tipo particular que es posible identificar en ciertos sistemas
físicos de partículas interactuando. La cuasipartícula puede considerarse como una única partícula
moviéndose a través del sistema, rodeada por una nube de otras partículas que se están apartando de su
camino o arrastradas por su movimiento, así que la entidad entera se mueve a través de algo como una
partícula libre. El concepto de cuasipartícula es uno de los más importantes en la física de la materia
condensada, porque es una de las pocas formas de simplificar el problema de los muchos
cuerpos de mecánica cuántica, y es aplicable a un amplio rango de sistemas de muchos cuerpos.
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Los fonones, excitones, plasmones, polaritones, polarones, y magnones
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TEORÍA BÁSICA
El efecto Raman se produce cuando la luz incide sobre una molécula e interactúa con la nube de
electrones de los átomos de esa molécula. El fotón incidente excita uno de los electrones a un
estado virtual. La molécula se excita desde el estado basal a un estado de energía virtual, y se
relaja a un estado vibracional excitado, lo que genera la dispersión de Raman Stokes. Si la
molécula ya se encontraba en un estado elevado de energía vibracional, la dispersión Raman se
llama entonces dispersión Raman anti-Stokes.
Para que la molécula exhiba el efecto Raman es necesario un desplazamiento en la polarizabilidad
molecular, o cantidad de deformación de la nube de electrones con respecto a la coordenada
vibracional. La cantidad del desplazamiento de polarizabilidad determinará la intensidad de la
dispersión Raman, siempre que el desplazamiento Raman sea igual al nivel vibracional que está
involucrado.
HISTORIA
Aunque la dispersión inelástica de la luz la predijo Smekal en 1923, no fue hasta 1928 cuando se
observó en la práctica. El efecto Raman fue nombrado después de que uno de sus descubridores, el
científico indio Sir CV Raman, observara el efecto por medio de la luz del sol (en 1928, junto con
KS Krishnan e independientemente de Grigory Landsberg y Leonid Mandelstam). Raman ganó el
Premio Nobel de Física en 1930 por este descubrimiento, realizado utilizando la luz del sol, un
filtro fotográfico de banda estrecha para crear luz monocromática y un filtro "cruzado" para
bloquear esta luz monocromática.
Posteriormente, el arco de mercurio se convirtió en la principal fuente de luz, primero con
detección fotográfica y, a continuación, con detección espectrofotométrica. En la actualidad, se
utilizan láseres como fuentes de luz.
APLICACIONES
La espectrometría Raman se utiliza comúnmente en química, ya que la información vibracional es
muy específica para los enlaces químicos de las moléculas. Por lo tanto, proporciona una huella
dactilar de la molécula que puede ser identificada. La región de huella digital de las moléculas
orgánicas está en el rango de 500-2000 cm-1. Otra forma de uso de la técnica es el estudio de
cambios en las uniones químicas, por ejemplo cuando un sustrato se añade a una enzima.
Los analizadores de gases Raman tienen muchas aplicaciones prácticas. Por ejemplo, se usan en
medicina para el seguimiento en tiempo real de las mezclas de gases respiratorios y la anestesia
durante la cirugía.
En física del estado sólido, la espectrometría Raman espontánea se utiliza para, entre otras cosas,
caracterizar los materiales, medir la temperatura, y encontrar la orientación cristalográfica de una
muestra.
Al igual que ocurre con moléculas individuales, un material sólido tiene modos de fonón
característicos que pueden ayudar a identificarlo. Además, la espectrometría Raman se puede
utilizar para observar otras excitaciones de baja frecuencia en los sólidos, como plasmones,
magnones, y excitaciones de brecha en superconductores.
La señal Raman espontánea proporciona información sobre la población de un modo fonón
determinado en el rango entre la intensidad Stokes (desplazada hacia abajo) y anti-Stokes
(desplazada hacia arriba).
La dispersión Raman mediante un cristal anisotrópico da información sobre la orientación del
cristal. La polarización de la luz de dispersión Raman en relación con el cristal, y la polarización
de la luz láser, pueden utilizarse para conocer la orientación del cristal, siempre que la estructura
cristalina sea conocida.
Las fibras activas Raman, como la aramida y el carbono, tienen modos vibracionales que muestran
un cambio en la frecuencia Raman con estrés aplicado. Las fibras de polipropileno también
exhiben cambios similares.
El modo de respiración radial es una técnica de uso habitual para evaluar el diámetro de los
nanotubos de carbono.
La espectrometría Raman compensada espacialmente (SORS), que es menos sensible a las capas
superficiales que la espectrometría Raman convencional, se puede utilizar para descubrir la
falsificación de medicamentos sin necesidad de abrir su embalaje interior, y para monitorización
no invasiva de tejido biológico.
La espectrometría Raman se puede utilizar también para investigar la composición química de
documentos históricos, como el Libro de Kells, y contribuir al conocimiento de las condiciones
sociales y económicas en el momento en que los documentos fueron producidos. Esto es
especialmente útil porque la espectrometría Raman es una forma no invasiva que permite
preservar este tipo de materiales.
MICROESPECTROMETRÍA RAMAN
La espectrometría Raman ofrece varias ventajas para el análisis microscópico. Dado que se trata
de una técnica de dispersión, las muestras no necesitan ser fijadas o seccionadas. Los espectros
Raman pueden ser obtenidos a partir de un volumen muy bajo (<1 μm de diámetro); estos
espectros permiten la identificación de especies presentes en ese volumen. El agua no interfiere
de manera apreciable. Por lo tanto, la espectroscopia Raman es adecuada para el examen
microscópico de minerales, materiales como cerámica y polímeros, y células yproteínas. Un
microscopio Raman consiste de un microscopio óptico estándar con un láser de excitación, un
monocromador y un detector sensible (como un dispositivo de carga acoplada (CCD), o un tubo
fotomultiplicador (PMT)).
En visualización directa, todo el campo de visión se examina por dispersión sobre una pequeña
gama de números de onda (turnos Raman). Por ejemplo, un número de onda característico para
el colesterol podría ser utilizado para registrar la distribución de colesterol en un cultivo celular.
El otro enfoque es la visualización hiperespectral o las imágenes químicas, en las que miles de
espectros Raman son adquiridos por todo el campo de visión. Los datos pueden ser utilizados para
generar imágenes que muestran la ubicación y la cantidad de distintos componentes. Tomando el
ejemplo del cultivo celular, una imagen hiperespectral podría mostrar la distribución de
colesterol, así como de proteínas, ácidos nucleicos y ácidos grasos. Las técnicas sofisticadas de
procesamiento de imágenes y señales pueden utilizarse para ignorar la presencia de agua, los
medios de cultivo y otros interferentes.
La microscopía Raman y, en particular, la microscopía confocal, disponen de una resolución
espacial muy alta. Por ejemplo, las resoluciones laterales y de profundidad son de 250 nm y 1,7
μm, respectivamente, utilizando un microespectrómetro confocal Raman con la línea de 632,8 nm
de un láser de He-Ne con una abertura de 100 μm de diámetro.
Dado que las lentes objetivo de los microscopios enfocan el rayo láser a varios micrómetros de
diámetro, el resultado del flujo de fotones es mucho mayor que los que se logran en las
configuraciones Raman convencionales. Esto tiene el beneficio añadido de una mayor
desactivación de la fluorescencia. Sin embargo, el alto flujo de fotones también puede causar la
degradación de la muestra, y por esta razón algunas configuraciones requieren un sustrato que
conduzca térmicamente (lo que actúa como un disipador de calor) a fin de mitigar este proceso.
Mediante el uso de la microespectrometría Raman, se pueden medir los espectros Raman,
resueltos en vivo en el tiempo y el espacio, de regiones microscópicas de la muestra. Como
resultado de esto, puede eliminarse la fluorescencia del agua, el medio y los intermediarios. En
consecuencia, este tipo de espectrometría es apropiada para examinar proteínas, células y
órganos.
Para muestras biológicas y médicas, la microscopía Raman generalmente utiliza láseres de
infrarrojo cercano (diodos de 785 nm y 1064 nm). Esto reduce el riesgo de dañar la muestra
mediante la aplicación de alta potencia. Sin embargo, la intensidad del Raman en infrarrojo
cercano es baja (debido a la dependencia ω -4 de la intensidad de dispersión Raman), y la mayoría
de detectores requieren mucho tiempo de registro. En la actualidad se dispone de detectores más
sensibles, por lo que esta técnica es apropiada para uso general. La microscopía Raman de
muestras inorgánicas, tales como rocas, cerámicas y polímeros, puede utilizar una gama más
amplia de longitudes de onda de excitación.
ANÁLISIS RAMAN POLARIZADO
La polarización de la luz dispersada Raman también contiene información útil. Esta propiedad
puede medirse utilizando un láser de excitación polarizado y un analizador de polarización. Los
espectros adquiridos con el analizador, tanto en perpendicular como en paralelo al plano de
excitación, pueden ser utilizados para calcular el coeficiente de despolarización. El estudio de la
técnica es pedagógicamente útil en la enseñanza de las conexiones entre la teoría de grupos, la
simetría, la actividad Raman y los picos en el espectro Raman correspondiente.
La información espectral que se deriva de este análisis da una idea sobre la orientación molecular
y la simetría vibracional. En esencia, permite al usuario obtener valiosa información relativa a la
forma molecular, por ejemplo, en química sintética o análisis polimórfico. A menudo se utiliza
para entender la orientación macromolecular en entratamados cristalinos, cristales líquidos o
muestras de polímeros.
VARIACIONES DE LA ESPECTROMETRÍA RAMAN
Se han desarrollado diversas variaciones de la espectrometría Raman. El propósito habitual es
aumentar la sensibilidad (por ejemplo, una mayor superficie Raman), para mejorar la resolución
espacial (microscopía Raman), o para adquirir información muy específica (resonancia Raman).
* Espectrometría Raman de superficie mejorada (SERS). Normalmente se hace en un coloide de
plata o de oro, o en un sustrato que contiene plata u oro. Los plasmones de superficie de plata y
oro son excitados por el láser, lo que resulta en un aumento en los campos eléctricos que rodean
el metal. Teniendo en cuenta que las intensidades Raman son proporcionales a la intensidad del
campo eléctrico, hay un gran aumento de la señal medida (de hasta 10 y 11). Este efecto fue
observado por Fleishman, pero prevaleció la explicación propuesta por Van Duyne en 1977.
* Hiper-Raman. Un efecto no lineal en el que los modos vibracionales interactúan con el segundo
armónico del haz de excitación. Para ello se requiere una potencia muy alta, pero permite la
observación de los modos vibracionales que son normalmente "silenciosos". A menudo se basa en
una potenciación de tipo SERS para incrementar la sensibilidad.
* Espectrometría Raman de resonancia. La longitud de onda de excitación es equivalente a una
transición electrónica de la molécula o cristal, a fin de que los modos vibracionales asociados con
el estado electrónico excitado se vean muy potenciados. Esto es útil para el estudio de moléculas
grandes, como los polipéptidos, que pueden mostrar cientos de bandas en los espectros Raman
"convencionales". También es útil para asociar los modos normales con sus cambios de frecuencia
observados.
* Espectrometría Raman espontánea. Utilizada para estudiar la dependencia a la temperatura de
los espectros Raman de las moléculas.
* Espectrometría Raman de pinzas ópticas (OTRS). Se utiliza para estudiar partículas individuales,
e incluso procesos bioquímicos en células individuales atrapadas por pinzas ópticas.
* Espectrometría Raman estimulada. Un pulso de dos colores transfiere la población desde el
estado basal a un estado excitado rovibracional, si la diferencia de energía se corresponde a una
transición Raman permitida. Dos fotones de ionización ultravioleta, aplicados después de la
transferencia de población (pero antes de la relajación), permite registrar el espectro Raman
intra-molecular o inter-molecular de un gas o grupo molecular. Esta es una técnica útil para
observar la dinámica molecular.
* Espectrometría Raman compensada espacialmente (SORS). La dispersión Raman se obtiene de
regiones compensadas lateralmente fuera del punto láser de excitación, lo que disminuye
significativamente las aportaciones de la capa superficial en comparación con la espectrometría
Raman tradicional.
* Espectrometría Raman anti-Stokes coherente (CARS). Se utilizan dos rayos láser para generar un
haz de frecuencia anti-Stokes coherente, que puede ser mejorada mediante resonancia.
BIBLIOGRAFÍA
-
Principio de Análisis Instrumental. SKOOG, HOLLER y NIEMAN
Quinta Edición. Mc Graw Hill.
-
Análisis Instrumental. KENNETH A. RUBINSON y JUDITH F. RUBINSON
Prentice Hall. Madrid 2001.