Fundamentos de los Métodos Ópticos

Los métodos ópticos se basan en la medición de alguna propiedad de la radiación electromagnética emitida por la materia o que interactúa con ella. La radiación electromagnética se organiza en el denominado espectro electromagnético.

Clasificación de los Métodos Ópticos

Los métodos ópticos se pueden clasificar en dos grandes categorías:

• Métodos espectroscópicos: Existe un intercambio de energía entre la radiación electromagnética y la materia.
• Métodos no espectroscópicos: Se producen cambios en la dirección o en las propiedades físicas de la radiación electromagnética, pero no hay intercambio de energía.

Métodos Espectroscópicos

Dentro de los métodos espectroscópicos, encontramos:

• Métodos de absorción: Miden la disminución de la potencia de la radiación electromagnética debido a la absorción que se produce en su interacción con el analito.
  • Moleculares: El análisis se lleva a cabo sobre moléculas. Ejemplos: Ultravioleta-visible (UV-VIS) e Infrarrojo (IR).
  • Atómicos: El análisis se realiza sobre átomos. Ejemplo: Absorción atómica.
• Métodos de emisión: Miden la radiación electromagnética emitida cuando el analito es excitado por energía térmica, eléctrica o radiante.
  • Moleculares: Ejemplo: Fluorescencia.
  • Atómicos: Ejemplo: Emisión atómica.

Métodos No Espectroscópicos

Incluyen fenómenos como:

• Dispersión
• Refracción
• Difracción
• Rotación óptica

Espectroscopía UV-VIS

La espectroscopía UV-VIS se basa en la absorción de radiación ultravioleta y visible por parte de las moléculas. La energía asociada a este tipo de radiación es suficiente para promover transiciones electrónicas desde orbitales fundamentales a orbitales excitados.

La energía de la radiación incidente debe ser exactamente igual a la diferencia de energía entre los niveles electrónicos involucrados, lo cual es una característica intrínseca de cada molécula.

Las leyes fundamentales que rigen la absorción de radiación en la espectroscopía UV-VIS son:

• Ley de Lambert: Establece que la absorbancia es directamente proporcional al espesor de la muestra.
• Ley de Beer: Establece que la absorbancia es directamente proporcional a la concentración del analito.
• Ley de Lambert-Beer: Combina ambas leyes, indicando que la absorbancia (A) es directamente proporcional tanto a la longitud del camino óptico (b) como a la concentración del analito (c): A = εbc, donde ε es la absortividad molar.

Espectroscopía IR

La radiación infrarroja tiene una longitud de onda entre 700 nm y 1 mm, y su energía es menor que la de la radiación UV-VIS. Esta energía no es suficiente para excitar electrones, pero sí para inducir vibraciones en los enlaces moleculares.

Tipos de Vibraciones Moleculares

• Vibración de tensión (stretching): Los átomos se acercan y alejan a lo largo del eje del enlace.
• Vibración de flexión (bending): Los ángulos de enlace varían. Existen cuatro modos:
  • Tijera (scissoring)
  • Balanceo (rocking)
  • Cabeceo (wagging)
  • Torsión (twisting)

Las vibraciones de tijera y balanceo ocurren en el plano, mientras que las de cabeceo y torsión ocurren fuera del plano (Oop).

La frecuencia de vibración (o número de onda) a la que una molécula absorbe energía en el IR es característica de cada grupo funcional. Estas frecuencias características se denominan frecuencias de grupo (o bandas). Las bandas de tensión de los grupos funcionales más comunes aparecen entre 4000 y 1000 cm^-1.

La espectroscopía IR se utiliza principalmente para análisis cualitativo, comparando el espectro de la muestra con espectros de referencia.

Fluorescencia

La fluorescencia se basa en la emisión de radiación electromagnética por moléculas que han sido previamente excitadas. La longitud de onda de emisión es característica de cada especie (análisis cualitativo), y la intensidad de la fluorescencia es proporcional a la concentración (análisis cuantitativo).

Absorción Atómica

En la absorción atómica, las moléculas en disolución se convierten en átomos en fase gaseosa mediante un nebulizador y una fuente de energía (llama, plasma, etc.). Estos átomos absorben radiación a longitudes de onda específicas, y la intensidad de la luz transmitida se mide con un detector. Se aplica la Ley de Lambert-Beer.

Emisión Atómica

En la emisión atómica, se utiliza una llama para atomizar la muestra. La mayoría de los átomos se encuentran en su estado fundamental. Las llamas frías (aire-gas natural o propano) solo excitan átomos de metales alcalinos y algunos alcalinotérreos. Esta técnica, conocida como fotometría de llama, se utiliza para determinar Na, K y Ca. El sistema incluye un nebulizador, una llama, un selector de longitud de onda y un detector.