1. Introducción

Las técnicas ópticas son técnicas que miden la radiación electromagnética (REM) que emana de la materia o que interacciona con ella. Estas técnicas ópticas pueden ser:

• Técnicas Espectroscópicas: Están basadas en la medida de la intensidad y la longitud de onda de la energía radiante.

Los mecanismos de interacción de estas técnicas son:

• Absorción
• Emisión
• Técnicas no espectroscópicas: Están basadas en la interacción entre la radiación electromagnética (REM) y la materia, la cual produce cambios en la dirección o en las propiedades de ella.

Los mecanismos de interacción de estas técnicas son:

• Refracción
• Reflexión
• Interferencia
• Difracción
• Dispersión
• Polarización

2. Propiedades de la radiación electromagnética (REM)

Según la teoría ondulatoria, la REM es la propagación de la energía en el espacio a través de ondas transversales.

• Representación de la REM

• Parámetros ondulatorios
• Amplitud (A): Longitud del vector campo eléctrico en el máximo de la onda.

• 

  Periodo (p): Tiempo necesario para el paso de dos máximos o mínimos sucesivos por un punto fijo en el espacio.

• Longitud de onda (λ): Distancia entre dos puntos sucesivos de la onda que se encuentran en fase (1 nm = 10^-9 m)
• Frecuencia (v): Número de ciclos por segundo (ciclos/s = Hertzios/s)
• Número de onda (v): Número de onda por centímetro

3. El espectro electromagnético

El espectro electromagnético abarca un amplio intervalo de longitudes de onda (frecuencia). En ese intervalo se encuentran diversas zonas de separación entre las diferentes regiones no bien definidas.

4. Tipos de espectros

4.1. Espectros de absorción

La absorción es el fundamento en la mayoría de los métodos espectroscópicos. El proceso de absorción se puede simbolizar mediante la siguiente reacción  

, la cual representa a todos los procesos de absorción de importancia. Seguidamente ocurre la dispersión de la energía absorbida

. La cantidad de calor disipada es despreciable y por ello no se considera cuando se estudian los procesos de absorción.

Para que la materia absorba la REM se debe cumplir la siguiente condición:

E (incidente) = E(estado excitado) – E(estado fundamental), es decir,

 (ecuación de Bohr).

• E_i = E de la especie absorbente en el estado fundamental (X)
• E_f = estado permitido de E superior correspondiente a la especie excitada (X^*)

La vida media de la especie excitada (X^*) suele ser de 10^-8 s.

4.2. Espectros de emisión

La emisión es el proceso inverso a la absorción. Una sustancia en un estado excitado pasa al estado fundamental emitiendo REM. Existen tres procesos de emisión:

• Emisión del núcleo radiactivo. Consiste en la emisión de rayos gamma (R-γ) característicos de las sustancias radioactivas.
• Emisión después de absorber REM. Podemos diferenciar dos casos:
  • Emisión por resonancia (igual λ): la REM absorbida tiene la misma λ (o frecuencia) que la emitida.
  • Emisión por fluorescencia o fosforescencia (mayor / menor λ): la REM emitida tiene mayor λ que la absorbida.
• Emisión después de excitación no electromagnética (EM) sino energía eléctrica o térmica. La molécula se excita con energía eléctrica (bombardeo con electrones de elevada E) o térmica (llama, plasma y fuentes de arco de c.c.) y posteriormente vuelven a su estado fundamental liberando REM.

4.3. Espectros Raman

Se generan en un proceso en el que la molécula es excitada a un nivel de E que no pertenece a la molécula sino a la radiación de excitación. Posteriormente tendrá lugar una emisión la cual puede ser de tres tipos:

• Dispersión de Rayleigh: Emisión es de igual longitud de onda
• Línea de Stokes (caso más normal): Emisión de mayor longitud de onda (menos energéticas)
• Línea anti – Stokes (caso menos frecuente): Emisión de menor longitud de onda (más energéticas).

4.4. Clasificación de las técnicas espectroscópicas según los tipos de espectros que presentan.

5. Leyes de absorción de la radiación

Las leyes de absorción de la radiación rigen el comportamiento de la fracción de radiación incidente que resulta absorbida al pasar a través de una muestra. Existen dos leyes:

• Ley de Lambert: Predice el efecto del espesor de la muestra sobre la fracción de radiación absorbida. Cada unidad de espesor de muestra a través de la cual pasa la radiación, absorbe la misma fracción de ésta, es decir, a más espesor más radiación absorbida.

La Disminución de la intensidad de radiación cuando un haz de radiación monocromática y paralelo (Io) pasa a través de un espesor db de una disolución de un soluto absorbente viene dada por la siguiente expresión:

dI = – K I db (I disminuye al aumentar b)

Si reordenamos la expresión anterior obtenemos

Si integramos obtenemos

I₀ = intensidad incidente cuando b = 0

Si pasamos los logaritmos neperianos (In) a logaritmos decimales obtenemos la Ley de Lambert

Es una Ley exacta aplicable a cualquier medio homogéneo y no disperso (gas, líquido, solido o disolución).

• Ley de Beer: Predice que un aumento en la concentración del soluto absorbente tiene igual efecto que un aumento proporcional en la distancia recorrida por la radiación a través de la muestra. Esto implica que K es proporcional a la Concentración, K la definió como K = 2.303 a c (donde a = nueva cte de proporcionalidad, y c = concentración de soluto absorbente).

Si sustituimos K = 2.303 a c en la ley de Lambert se llega a la ley de Beer

Esta es una ley fundamental en los métodos espectroscópicos (todos siguen esta ley), es aplicable a los procesos de absorción en cualquier zona del espectro y constituye la base de las aplicaciones analíticas de la absorción ya que permite calcular la concentración de una sustancia a partir de la medida de la radiación absorbida por una disolución de la misma.

Al término I/I₀ se le denomina transmitancia (es adimensional) y al término log (1/T) = abc se le denomina absorbancia (es adimensional).

Si c (g/L) entonces a es la absortividad o coeficiente de extinción (L/g*cm)

Si c (mol/L) entonces a = ε y es la absortividad molar o coeficiente de extinción molar (L/mol*cm)

Por esto obtenemos dos formas de expresar la ley de Beer:

La ley de Beer es aplicable a disoluciones conteniendo más de una especie absorbente porque la absorbancia es aditiva si no existen interacciones entre las especies absorbentes

6. Curvas espectrales

Una curva espectral se obtiene representando la absorbancia (A) o la transmitancia (T) en función de su longitud de onda (λ), por ello podemos distinguir dos espectros:

• Espectro de transmitancia: Para una sustancia determinada T(%) es función de λ cuando b = cte y c = cte.
• Espectro de absorbancia: Para una sustancia determinada A es función de λ cuando b =cte y c = cte

7. Comprobación de la ley de Beer

Un análisis cuantitativo exacto exige la comprobación de la ley de Beer antes de aplicarla, por ello se deben seguir los siguientes pasos:

• 

  Preparar disoluciones (concentraciones conocidas de analito, a partir de patrones) en el rango lineal del método

• Medir la absorbancia para b = cte y λ = cte
• Representar A (absorbancia) en función de la concentración

Si se cumple la Ley de Beer se debe de obtener una recta que pasa por el origen

Las desviaciones de la ley de Beer se dicen que son positivas si la curva se desvía por encima de la recta o negativas si se desvía por debajo de la recta.

8. Uso de radiación no monocromática

El cumplimiento estricto de la ley de Beer exige el uso de radiación monocromática (una sola longitud de onda). En la práctica los instrumentos no son capaces de aislar una sola λ, sin embargo, si aíslan una banda más o menos simétrica de λ en torno al valor deseado (valor nominal) lo cual provoca desviaciones de la ley de Beer (limitación importante).

Supongamos un haz de radiación formado por dos longitudes de onda λ´y λ”, a continuación aplicamos la ley de Beer a cada λ;

Si ε´= ε” la ecuación se simplifica y A_M = ε´bc y por ello se cumple la ley de Beer.

Con todo esto podemos deducir que cuanto más parecidas sean ε´y ε” menores serán las deviaciones de la Ley de Beer.

Si ε, no es igual a ε” la relación entre A_M y C se desvía de la linealidad u por ello no podemos simplificar

Estas desviaciones aumentan a medida que aumenta la diferencia entre ε´y ε”

En los espectros de absorción podemos distinguir dos zonas: zonas con cambios de A (A es función de λ, por tanto ε también es función de λ) en las que las desviaciones de la Ley de Beer son importantes (máximos estrechos) y zonas sin cambios de A (A = εbc ; A no es función λ, esto implica que ε´= ε”) donde las desviaciones de la Ley de Beer no son predecibles (máximos anchos). Por todo esto para medidas cuantitativas se elige la λ de los máximos anchos

.

9. Utilización y cuidado de las cubetas

Las cubetas deben estar siempre limpias, sin rayaduras, huellas ni adherencias.

En el espectro visible se puede trabajar con cubetas de plástico o vidrio, pero en el espectro de UV se debe trabajar con cubetas de cuarzo (ya que el vidrio y el plástico absorben).

Las cubetas de vidrio y cuarzo no se deben limpiar con HNO₃ concentrado frio, agua regia (3HCl : 1HNO₃), k₂Cr₂O₇, ácidos concentrados y calientes debido a que se incorporan en las cubetas y las vuelven opacas. Para su limpieza se deben aclarar con agua y con varias porciones de la disolución a diluir, no se debe intentar secar el interior y el exterior se debe secar cuidadosamente con un pañuelo de papel. Antes de medir se debe mirar a trasluz para comprobar la ausencia de burbujas o partículas.