Breve introducción sobre la "Espectroscopia Raman"

Saludos amigos amantes de la ciencia a partir de hoy comenzare con una serie de artículos referentes a la espectroscopia, partiendo desde el fenómeno de dispersión por medio del efecto Raman.

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La espectroscopia Raman es una técnica ampliamente utilizada para identificar materiales, ya sean sólidos, sustancias líquidas, entre otros. Se podría decir que el resultado de la espectroscopia hecha a cualquier compuesto ha sido su huella digital o tarjeta de identificación, para decirlo de una manera vulgar y no científica, lo que lo hace diferente esta técnica de las otras anteriormente explicadas, es que la espectroscopia Raman se realiza directamente sobre el material sin la necesidad de preparar la muestra antes de medirla o realizar un barrido, no es necesario someter la muestra a un tratamiento químico o físico.

Uno de sus usos principales en la física del estado sólido es determinar los modos de vibración de la red cristalina, es decir, los modos de baja frecuencia, también los modos rotativos, todo esto nos proporciona una información importante sobre la estructura de un material.

La espectroscopia Raman puede usarse tanto para aplicaciones cualitativas como cuantitativas. Los espectros son muy específicos y las identificaciones químicas se pueden hacer a través del uso de algoritmos de búsqueda en bases de datos digitales. Al igual que en la espectroscopia infrarroja, las áreas de banda son proporcionales a la concentración, lo que hace que esta técnica sea susceptible de análisis cuantitativo. De hecho, debido a que las bandas Raman son intrínsecamente más nítidas que sus contrapartes infrarrojas, las bandas aisladas a menudo están presentes en el espectro para un análisis cuantitativo más directo.

Este efecto utiliza una fuente de luz láser monocromática para influir en la muestra con el fin de generar un espectro donde el efecto Raman se puede visualizar, utilizando una cámara detectora. Esta luz genera un patrón espectral característico de un material y permite a su vez identificar sustancias que evalúan y determinan las vibraciones, la cristalinidad y la orientación de los modos de baja frecuencia.

Sir Chandrasekhara Venkata Raman era un físico indio cuyo trabajo principal era muy importante para la comunidad científica, especialmente en el area de la física. En 1928, junto con otro físico, KS Krishman descubrió el efecto Raman, que confirmaba la naturaleza cuántica de la luz. Al año siguiente fue nombrado por la corona británica Sir. Recibió el Premio Nobel de Física en 1930 por el descubrimiento de que cuando la luz pasa a través de un material transparente, parte de la luz difractada cambia su longitud de onda. Este fenómeno se conoce actualmente como dispersión Raman y es el resultado del efecto Raman. Además, en 1932, descubrió el giro del fotón cuántico junto con el Bhagavantam.

Después de su descubrimiento, el efecto Raman se convirtió en la técnica preferida por muchos científicos para el análisis de la espectroscopía de absorción infrarroja, sin embargo, en ese momento la técnica, aunque muy efectiva para tales análisis, era compleja y necesitaba personal capacitado para calibrar y ensamblar el equipo para su posterior caracterización de materiales, este personal tuvo que usar equipos muy consistentes en lámparas de mercurio, espectrógrafos o películas fotográficas para obtener los espectros.

^{Esquema de la energía dispersiva del efecto Raman}

Con el paso de los años y la técnica se perfeccionó, indudablemente se convirtió en la mejor y en 1960 estuvo muy cerca de experimentar grandes avances ya que con la aparición del láser que reemplazó a la lámpara de mercurio y más tarde al desarrollo de fibra óptica en los 80, la técnica fue adquiriendo la perfección adecuada y los espectros se observaron con mayor calidad y nitidez, y luego en los años 90 salieron los filtros, rejillas o redes de difracción y los detectores de carga acoplada y convirtieron esta espectroscopia en la mejor tecnología, la más potente y fácil para usar, debe tenerse en cuenta que actualmente hay equipos portátiles fáciles de manejar y ensamblar.

Mecanismos básicos en los que se basa la espectroscopia Raman

Cuando obtenemos los espectros Raman, se observan tres tipos de dispersión. El primero es la línea Rayleigh, que consiste en una radiación electromagnética que cae sobre una molécula, esto es un pase al siguiente nivel o escala, después de perder esta radiación. La molécula vuelve al nivel donde comienza, esto significa que no se observa variación en la energía y, por lo tanto, la radiación incidente y dispersa tiene la misma longitud de onda y frecuencia.

En el caso de las líneas de Stokes, el proceso es muy similar al de las líneas de Rayleigh, pero la diferencia es que la molécula que pierde la excitación y permanece en un estado o nivel vibratorio más alto que el inicial y esto trae como consecuencia inmediata la absorción de la longitud de onda y la dispersión de otro, es decir, han ganado energía y presentan menos frecuencia.

Y finalmente las líneas anti-Stokes, en este mecanismo presenta lo mismo que las líneas de Stokes, pero en este caso la única diferencia es que la molécula vuelve a un nivel inferior y esto produce que la radiación dispersa es mayor que la absorbida y la frecuencia por lo tanto, es más grande.

^{Diagrama de niveles de energía de los estados en la dispersión Raman}

¿En que consiste fenómeno (dispersión o efecto Raman)?

Cuando la luz es dispersada por la materia, casi toda la dispersión es un proceso elástico (dispersión de Rayleigh) y no hay cambio en la energía. Sin embargo, un porcentaje muy pequeño de dispersión es un proceso inelástico, por lo tanto, una luz dispersa tiene energía diferente de la luz incidente. Esta dispersión inelástica de la luz fue predicho teóricamente por Adolf Smekal en 1923 y observó por primera vez experimentalmente por Chandrasekhara Venkata Raman en 1928, por lo que esta dispersión inelástica se llama dispersión Raman (efecto Raman).

^{Ejemplo del proceso de la energía dispersiva Raman}

Entonces podríamos decir, como se mencionó al comienzo de la publicación, que si obtenemos un haz de luz monocromático, es decir un láser en el material que se va a caracterizar, cierta parte de la luz se dispersa y tiene la misma frecuencia que la ola que golpea el material. Otra porción de la luz se dispersa inelásticamente y devuelve la frecuencia de cada molécula que compone el material, este fenómeno se conoce como el efecto Raman.

Podemos observar en este fenómeno que las variaciones en la frecuencia son causadas por variaciones de la energía entre los enlaces de las moléculas, cada enlace podría decirse que es una puerta que une ambas masas, que cuando es excitada por el haz de luz produce vibraciones movimientos y rotación en una frecuencia específica de cada enlace. Es por eso que cada uno de los movimientos de las moléculas corresponde a un valor energético dado. El tipo de dispersión inelástica se distingue en ambos casos, sin embargo, si el fotón disperso tiene una energía más baja que la incidencia, se produce la dispersión de Stokes, y por el contrario, si la energía es mayor, se produce la dispersión de Anti-Stokes.

^{Imagen de dominio publico con licencia CCO}

Las diferentes posibilidades de dispersión de la luz visual: dispersión de Rayleigh (sin efecto Raman), dispersión de Stokes (la molécula absorbe energía) y dispersión anti-Stokes (la molécula pierde energía)

Y estoy es todo por ahora, próximamente estaré redactando la continuación de este post..!!