Generación de señales e interacción de muestras

En los espectrómetros, la preparación de la muestra se adapta al estado físico del material y a la técnica analítica para garantizar una generación de señal precisa y minimizar las interferencias. Las muestras sólidas a menudo se muelen hasta obtener polvos finos y se mezclan con matrices transparentes al infrarrojo, como bromuro de potasio (KBr), para formar gránulos translúcidos para espectroscopia infrarroja (IR), lo que permite realizar mediciones de transmisión sin pérdidas por dispersión. Para la espectroscopia atómica, los sólidos pueden disolverse en ácidos para la nebulización de la solución o vaporizarse directamente utilizando atomizadores de llama o de horno de grafito para producir átomos libres. Las muestras líquidas generalmente requieren dilución con solventes compatibles para reducir la viscosidad y la concentración, o inyección directa si son compatibles con el instrumento, mientras que las muestras de gas pueden introducirse directamente o preconcentrarse mediante adsorción en sorbentes sólidos para mejorar la detectabilidad. Para evitar la contaminación y los efectos de la matriz, como la supresión de iones en la espectrometría de masas donde los compuestos coeluyentes alteran la eficiencia de la ionización, se aplican de forma rutinaria técnicas de purificación como la extracción en fase sólida (SPE) o la precipitación de proteínas, lo que garantiza extractos más limpios y una cuantificación confiable.

La generación de señales se basa en fuentes especializadas adaptadas al tipo de espectrómetro, que interactúan con la muestra preparada para producir emisiones o iones detectables. En los espectrómetros ópticos, las fuentes continuas de banda ancha incluyen lámparas halógenas de tungsteno, que emiten radiación de cuerpo negro de aproximadamente 360 ​​a 2600 nm, adecuada para análisis visible e infrarrojo cercano, y lámparas de arco de deuterio que proporcionan una salida intensa de 190 a 400 nm para espectroscopia ultravioleta. Los láseres, con su salida monocromática y coherente, permiten una excitación precisa para técnicas como la fluorescencia inducida por láser o la espectroscopia Raman. En los espectrómetros de masas, la ionización electrónica (EI) emplea un haz de electrones de 70 eV para bombardear muestras vaporizadas, produciendo iones y fragmentos moleculares para la elucidación estructural, mientras que la ionización por electropulverización (ESI) nebuliza muestras líquidas en gotas cargadas bajo alto voltaje, evaporando el disolvente para producir iones intactos en fase gaseosa ideales para biomoléculas.

La interacción entre la fuente de la señal y la muestra excita los analitos a estados mensurables a través de varios mecanismos. La excitación térmica, como en la espectroscopia de emisión o absorción atómica de llama, calienta el aerosol de la muestra a 2000-3000 K, desolvatando y atomizando los analitos al tiempo que promueve las transiciones electrónicas. Los métodos de descarga eléctrica, como arcos, chispas o plasmas acoplados inductivamente (ICP), generan plasmas de alta temperatura (hasta 10.000 K) mediante energía de radiofrecuencia para ionizar y excitar átomos de manera eficiente para el análisis de emisiones. La excitación inducida por láser, utilizada en espectroscopia de ruptura inducida por láser (LIBS), enfoca un láser pulsado para crear un microplasma en la superficie de la muestra, vaporizando y excitando el material para un análisis rápido e in situ de sólidos.

Las muestras interactúan con estas fuentes dentro de sistemas de contención especializados para mantener caminos ópticos o trayectorias de iones. Las cubetas de cuarzo, con longitudes de paso de 1 a 10 mm, contienen alícuotas de líquido para mediciones ópticas basadas en transmisión y ofrecen una baja absorbancia de fondo desde 170 nm en adelante. Las celdas de flujo, conectadas mediante tubos a las bombas, facilitan la entrega continua de muestras para el monitoreo en tiempo real en el control de procesos o sistemas separados como la cromatografía-espectrometría líquida.

La manipulación de muestras peligrosas exige estrictos protocolos de seguridad para mitigar los riesgos durante la preparación y la interacción. Para la espectrometría gamma que involucra isótopos radiactivos, el blindaje de plomo, los manipuladores remotos y las cajas de guantes previenen la exposición, y el monitoreo dosimétrico garantiza que las dosis se mantengan por debajo de los límites regulatorios como los de la Agencia Internacional de Energía Atómica. La generación de señales reproducibles cumple con estándares como ISO/IEC 17025, que describe procedimientos de preparación y muestreo validados para laboratorios acreditados, incluida la trazabilidad y la estimación de incertidumbre para respaldar el aseguramiento de la calidad en los análisis espectrométricos.

Mecanismos de dispersión y separación

En los espectrómetros, los mecanismos de dispersión y separación son esenciales para aislar componentes espectrales en función de sus propiedades inherentes, como la longitud de onda en los sistemas ópticos o la relación masa-carga en los espectrómetros de masas. Estos mecanismos explotan principios físicos como la difracción, la refracción o las trayectorias inducidas por campos para resolver señales angular o espacialmente, lo que permite un análisis posterior sin superposición. Antes de la dispersión, en los espectrómetros ópticos, la radiación entrante pasa primero a través de una rendija de entrada, una abertura estrecha que limita el ancho y la divergencia angular del haz de luz para definir la resolución espectral del instrumento; los anchos típicos varían de 10 a 200 µm, donde las rendijas más estrechas mejoran la resolución pero reducen el rendimiento de la luz. Luego, la luz se colima mediante elementos ópticos como una lente o un espejo curvo, que recoge los rayos divergentes de la rendija y forma un haz paralelo para iluminar uniformemente el elemento dispersor, optimizando la eficiencia y minimizando las aberraciones.

La dispersión óptica se basa principalmente en rejillas de difracción y prismas para separar longitudes de onda. Las rejillas de difracción consisten en reglas periódicas que causan interferencia constructiva para longitudes de onda específicas en ángulos particulares, regidas por la ecuación de la rejilla mλ=d(sin⁡i+sin⁡θ)m\lambda = d (\sin i + \sin \theta)mλ=d(sini+sinθ), donde mmm es el orden de difracción, λ\lambdaλ es la longitud de onda, ddd es el espaciado de la rejilla, iii es el ángulo de incidencia y θ\thetaθ es el ángulo de difracción; para incidencia normal (i=0i = 0i=0), esto se simplifica a dsin⁡θ=mλd \sin \theta = m\lambdadsinθ=mλ.[23] Esta dispersión angular permite que diferentes longitudes de onda se propaguen en distintas direcciones, con rejillas más finas (ddd más pequeñas) que proporcionan una mayor resolución al aumentar la separación angular por unidad de longitud de onda. Los prismas, por el contrario, logran la dispersión a través de la refracción, donde el índice de refracción variable del material con la longitud de onda hace que las longitudes de onda más cortas (por ejemplo, la luz azul) se doblen más que las más largas (por ejemplo, la luz roja) al pasar a través del prisma, lo que resulta en un espectro continuo extendido a lo largo de una cara de salida. Esta dispersión dependiente del material se cuantifica mediante la diferencia en los índices de refracción en las longitudes de onda, generalmente más fuertes en el ultravioleta pero limitadas por la absorción en ciertos materiales.[26]

En los espectrómetros no ópticos, la separación se produce mediante interacciones con campos electromagnéticos adaptados a la carga y masa del analito. Para la espectrometría de masas, los iones son desviados por campos magnéticos y eléctricos de acuerdo con la fuerza de Lorentz F=q(E+v×B)\mathbf{F} = q (\mathbf{E} + \mathbf{v} \times \mathbf{B})F=q(E+v×B), donde qqq es la carga del ion, v\mathbf{v}v es su velocidad, E\mathbf{E}E es el campo eléctrico y B\mathbf{B}B es el campo magnético; en los analizadores de sectores magnéticos, la fuerza centrípeta equilibra el componente magnético, produciendo trayectorias con radios proporcionales a m/qm/qm/q, separando así espacialmente los iones por relación masa-carga.[27] En los espectrómetros de resonancia magnética nuclear (RMN), los campos de radiofrecuencia (RF) interactúan con espines nucleares que precesan en la frecuencia de Larmor ω=γB\omega = \gamma Bω=γB, donde γ\gammaγ es la relación giromagnética específica del núcleo y BBB es la intensidad del campo magnético estático; Los pulsos de RF resonantes a esta frecuencia inclinan los espines, y los cambios químicos provocan ligeras variaciones de frecuencia que se separan durante el procesamiento de la señal.

Detección y Adquisición de Datos

En los espectrómetros, la detección de componentes espectrales separados se basa en detectores especializados que convierten los fotones, iones o electrones entrantes en señales eléctricas mensurables. Los tubos fotomultiplicadores (PMT) se utilizan ampliamente para aplicaciones de conteo de fotones individuales, donde amplifican fotoelectrones a través de una serie de dinodos para lograr alta sensibilidad y bajo ruido, lo que permite la detección de señales débiles en condiciones de poca luz.[32] Los dispositivos de carga acoplada (CCD) sirven como detectores de matriz para la captura simultánea en múltiples longitudes de onda, ofreciendo una alta eficiencia cuántica (hasta el 90 % en modelos retroiluminados) debido a su capacidad para recolectar casi todos los fotones incidentes en los rangos visible e infrarrojo cercano.[33] Las placas de microcanales (MCP) se emplean para eventos de sincronización rápida, proporcionando una resolución inferior a nanosegundos mediante la multiplicación de electrones en microcanales paralelos, lo cual es esencial para la espectroscopia de fenómenos transitorios con resolución temporal.[34]

La adquisición de datos sigue a la detección, donde las señales analógicas de estos dispositivos se digitalizan para su posterior análisis. Los convertidores analógico-digital (ADC) suelen funcionar con una resolución de 12 a 16 bits en los espectrómetros, lo que permite una cuantificación precisa de las intensidades de las señales con una distorsión mínima, como se ve en sistemas como las unidades UV-Vis compactas que alcanzan una profundidad de 16 bits para un rango dinámico mejorado.[35] Una métrica de rendimiento clave es la relación señal-ruido (SNR), definida como la amplitud de la señal dividida por la raíz cuadrada de la varianza del ruido, que cuantifica la detectabilidad de las características espectrales en medio de fluctuaciones de fondo, particularmente en condiciones de ruido limitado.[36]

El procesamiento posterior a la adquisición transforma los datos sin procesar en espectros interpretables mediante técnicas como la corrección de la línea de base, que resta la deriva instrumental y las contribuciones de fondo para aislar señales espectrales verdaderas, y la integración de picos, que calcula áreas bajo los picos para cuantificar las concentraciones de analitos.[37] El software especializado permite la deconvolución espectral, como la autodeconvolución de Fourier en la espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FT-IR), donde las transformadas de Fourier apodizadas mejoran la resolución de bandas superpuestas al estrechar matemáticamente los anchos de línea sin alterar las posiciones de los picos.

La calibración garantiza la precisión de los datos detectados y procesados. La calibración de longitud de onda utiliza líneas de emisión de fuentes conocidas, como la lámpara de arco de mercurio, cuyas líneas discretas (por ejemplo, 253,65 nm y 546,07 nm) proporcionan referencias precisas para alinear el eje espectral en los rangos UV-Vis-NIR.[39] La calibración de intensidad emplea estándares trazables, como fuentes certificadas por NIST o lámparas halógenas de deuterio, para corregir las variaciones de respuesta del detector y lograr mediciones de radiancia absoluta.[40]

Contenido

The following table summarizes some common types of spectrometers, what they measure, and their typical applications:

Espectrómetros ópticos

Los espectrómetros ópticos son instrumentos analíticos que miden la interacción de la materia con la radiación electromagnética en las regiones ultravioleta (UV), visible (Vis) e infrarroja (IR) del espectro, que generalmente abarcan longitudes de onda desde aproximadamente 190 nm hasta varios micrómetros. Estos dispositivos dispersan la luz entrante en sus longitudes de onda constituyentes para producir espectros que revelan información sobre la estructura, composición y concentración molecular. La dispersión se logra principalmente a través de rejillas de difracción, que separan longitudes de onda según la desviación angular causada por microestructuras periódicas, o mediante métodos interferométricos que codifican información espectral en patrones de interferencia.

Un subtipo clave es la espectroscopia de absorción, particularmente en el rango UV-Vis (190–800 nm), donde la absorción de luz por las muestras sigue el principio de Beer-Lambert, que relaciona la absorbancia con la concentración, la longitud del camino y la absortividad molar. Esta técnica cuantifica especies midiendo la atenuación de la luz transmitida después de pasar a través de una muestra, proporcionando datos sobre las transiciones electrónicas en las moléculas. Por el contrario, la espectroscopia de emisión excita átomos o iones para producir emisiones de luz características, analizadas para la identificación elemental; La espectroscopia de emisión de llama utiliza una llama para vaporizar y excitar muestras, mientras que la espectroscopia de emisión óptica de plasma acoplado inductivamente (ICP-OES) emplea un plasma de alta temperatura (alrededor de 6000 a 10 000 K) para una sensibilidad superior en el análisis de elementos traza en múltiples elementos simultáneamente.

La espectroscopia Raman representa otro subtipo, que se basa en la dispersión inelástica de luz monocromática (a menudo procedente de láseres) para sondear vibraciones y rotaciones moleculares. Cuando los fotones interactúan con la muestra, la mayoría sufre dispersión elástica de Rayleigh, pero una pequeña fracción (aproximadamente 1 en 10^7) experimenta dispersión Raman, cambiando la energía en cantidades correspondientes a modos vibratorios, lo que produce un espectro de "huella digital" para identificar grupos funcionales sin preparación de la muestra. La espectroscopia infrarroja (IR), incluida la IR por transformada de Fourier (FTIR), apunta a longitudes de onda del IR medio (4000–400 cm⁻¹) para detectar transiciones vibratorias asociadas con grupos funcionales como enlaces C=O u O-H, útiles para la caracterización de compuestos orgánicos. FTIR mejora la resolución y la velocidad sobre el IR dispersivo mediante el uso de un interferómetro de Michelson, que divide un haz de IR de banda ancha, lo recombina después de la modulación de trayectoria para formar un interferograma y aplica la transformada rápida de Fourier (FFT) para convertir esta señal en el dominio del tiempo en un espectro en el dominio de la frecuencia.

Los fundamentos de la espectroscopia de emisión óptica se remontan a 1859, cuando Robert Bunsen y Gustav Kirchhoff desarrollaron la espectroscopia de llama utilizando un mechero Bunsen y un espectroscopio de prisma para observar líneas de emisión únicas de elementos como el cesio y el rubidio, estableciendo la espectroscopia como una herramienta para el análisis elemental cualitativo. Este avance demostró que cada elemento produce una firma espectral distinta, revolucionando la identificación química.

Los espectrómetros ópticos modernos han evolucionado hasta convertirse en dispositivos portátiles y compactos para aplicaciones de campo, como monitoreo ambiental in situ o verificación de materiales, y a menudo integran rejillas miniaturizadas o detectores como sensores CMOS para análisis en tiempo real. Los espectrómetros de imágenes hiperespectrales amplían esta capacidad al capturar datos espaciales y espectrales simultáneamente a través de cientos de bandas estrechas, lo que permite aplicaciones como la detección remota de la salud de la vegetación o el mapeo de minerales desde drones o satélites. Estos avances priorizan la robustez, el funcionamiento con batería y las interfaces fáciles de usar, manteniendo al mismo tiempo una alta resolución (hasta 1 a 5 nm).[52][53][54]

Espectrómetros de masas

Los espectrómetros de masas son instrumentos analíticos que miden la relación masa-carga (m/z) de iones para identificar y cuantificar moléculas en una muestra. Operan ionizando la muestra para producir partículas cargadas, separando estos iones en función de sus valores m/z y detectándolos para generar un espectro de masas. A diferencia de los espectrómetros ópticos que se basan en la dispersión de la longitud de onda de la luz, los espectrómetros de masas se centran en las propiedades físicas de los iones en campos eléctricos, magnéticos o combinados.[55]

La ionización es el paso inicial en la espectrometría de masas, que convierte moléculas neutras en iones en fase gaseosa adecuados para el análisis. La ionización por impacto electrónico (EI), un método de ionización dura, bombardea analitos gaseosos con electrones de 70 eV, produciendo iones moleculares y patrones de fragmentación extensos que ayudan en la elucidación estructural.[56] Para las biomoléculas, la desorción/ionización láser asistida por matriz (MALDI) utiliza un láser para desorber e ionizar analitos incrustados en una matriz absorbente de UV, lo que permite el análisis de moléculas grandes y frágiles con una fragmentación mínima.[57] La ionización por electropulverización (ESI), una técnica suave para muestras líquidas, genera iones aplicando un alto voltaje a una solución nebulizada, produciendo iones con carga múltiple a partir de compuestos polares como proteínas sin una descomposición significativa.

La separación de iones en los espectrómetros de masas se produce mediante varios analizadores que aprovechan las diferencias en las trayectorias de los iones. El analizador de cuadrupolo utiliza cuatro varillas paralelas a las que se aplican voltajes de corriente continua (CC) y radiofrecuencia (RF) para crear campos eléctricos oscilantes; Los iones siguen caminos estables hacia el detector sólo si su m/z coincide con la región de estabilidad definida por el diagrama de estabilidad de Mathieu, filtrando los iones selectivamente. Los analizadores de tiempo de vuelo (TOF) aceleran iones en un campo eléctrico uniforme y miden su tiempo de vuelo a lo largo de una longitud de trayectoria fija LLL, donde la relación m/z está dada por

con VVV como voltaje de aceleración y ttt como tiempo de vuelo; Los iones más ligeros llegan más rápido, lo que permite un análisis rápido y de alto rendimiento./Instrumentation_and_Analysis/Mass_Spectrometry/Time-of-Flight_(TOF)_Mass_Spectrometry) Los analizadores de sectores magnéticos dirigen los iones a través de un campo magnético uniforme BBB, donde el radio de curvatura rrr de la trayectoria del ión satisface

con mmm como masa, vvv como velocidad y qqq como carga; escanear el campo separa los iones por relación impulso-carga para una resolución moderada./04%3A_MASS_ANALYZERS/4.02%3A_Magnetic_Sector)

Los analizadores avanzados mejoran la resolución de mezclas complejas. El Orbitrap atrapa iones en un campo electrostático alrededor de un huso central, donde sus frecuencias orbitales se relacionan inversamente con m/z\sqrt{m/z}m/z​, logrando resoluciones de hasta 500 000 a m/z 200 para una distinción isotópica precisa.[60] Los analizadores de resonancia de ciclotrón de iones (ICR), a menudo basados ​​en la transformada de Fourier, confinan los iones en un fuerte campo magnético donde orbitan en ciclotrón a frecuencias proporcionales a qB/m; La transformación de Fourier de la corriente de imagen inducida produce una resolución ultraalta superior a 1.000.000 para la asignación detallada de fórmulas moleculares.[61]

Espectrómetros de resonancia magnética nuclear

Los espectrómetros de resonancia magnética nuclear (RMN) funcionan colocando una muestra en un fuerte campo magnético, donde los espines nucleares se alinean y precesan, lo que lleva a la división Zeeman de los niveles de energía proporcional a la intensidad del campo B0B_0B0.[63] Esta división permite la absorción de energía de radiofrecuencia (RF) en la frecuencia de Larmor, ν=γB0/2π\nu = \gamma B_0 / 2\piν=γB0​/2π, donde γ\gammaγ es la relación giromagnética. El cambio químico surge del blindaje magnético local por electrones, cuantificado como δ=νsample−νrefνref×106\delta = \frac{\nu_\text{sample} - \nu_\text{ref}}{\nu_\text{ref}} \times 10^6δ=νref​νsample​−νref​​×106 ppm, proporcionando información sobre el entorno químico de núcleos como 1H^1H1H o 13C^{13}C13C.[63] El acoplamiento espín-espín, o acoplamiento J, a través de enlaces provoca la división de las resonancias en multipletes regidos por la regla n+1, con constantes de acoplamiento J medidas en Hz, lo que revela la conectividad entre núcleos.

El hardware de los espectrómetros de RMN se centra en imanes superconductores, que normalmente generan campos de 6 T a 23,5 T (correspondientes a 250 MHz a 1 GHz para 1H^1H1H), enfriados con helio líquido para lograr resistencia cero y alta estabilidad. Las bobinas de RF emiten secuencias de pulsos precisas, como un pulso de 90° que inclina la magnetización hacia el plano transversal, induciendo una señal de caída de inducción libre (FID) detectada por la misma bobina o por bobinas separadas.[66] El FID en el dominio del tiempo se convierte a un espectro en el dominio de la frecuencia mediante la transformada de Fourier, lo que permite la resolución de cambios y acoplamientos químicos.

La RMN unidimensional (1D) proporciona espectros básicos de cambios químicos e integrales, mientras que las técnicas bidimensionales (2D) como COZY correlacionan espines acoplados a través del acoplamiento J para mapear las conectividades protón-protón, y NOESY revela proximidades espaciales a través del espacio. Efectos de Overhauser nuclear para la determinación de la estructura molecular. Para muestras sólidas, el giro de ángulo mágico (MAS) gira la muestra a 54,74° con respecto al eje del campo magnético, promediando interacciones anisotrópicas para producir espectros de alta resolución similares a las soluciones.

Los avances incluyen métodos de hiperpolarización como la polarización nuclear dinámica (DNP), que aumenta la intensidad de la señal en órdenes de magnitud (por ejemplo, 100 veces para 1H^1H1H) mediante irradiación con microondas en muestras dopadas con radicales a bajas temperaturas, lo que mejora la sensibilidad para analitos de baja concentración.[69] Los espectrómetros de RMN de campo bajo de sobremesa, que funcionan a 1-2 T (43-100 MHz para 1H^1H1H) con imanes permanentes, permiten análisis portátiles y rentables para el seguimiento de reacciones y el control de calidad, a menudo combinados con hiperpolarización como SABRE para obtener mayores ganancias de sensibilidad de hasta 17 000 veces.[70]

Espectrómetros de electrones y de ionización

Los espectrómetros de electrones y de ionización utilizan haces de electrones o procesos de ionización para sondear la composición elemental y de superficies, proporcionando análisis de alta resolución de materiales a escala atómica. Estas técnicas son particularmente valiosas para investigaciones sensibles a superficies, ya que los electrones e iones emitidos o dispersos se originan en los primeros nanómetros de una muestra, lo que permite una caracterización detallada de interfaces, películas delgadas y estados químicos.

La espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS), también conocida como espectroscopia de electrones para análisis químico (ESCA), funciona con el efecto fotoeléctrico, donde los fotones de rayos X irradian la muestra, expulsando electrones a nivel central cuya energía cinética revela energías de enlace características de los elementos y sus entornos químicos. La energía de enlace EbE_bEb​ se calcula como Eb=hν−KE−ϕE_b = h\nu - KE - \phiEb​=hν−KE−ϕ, donde hνh\nuhν es la energía del fotón, KEKEKE es la energía cinética medida del fotoelectrón y ϕ\phiϕ es la función de trabajo del espectrómetro. Este método logra una sensibilidad superficial de 1 a 10 nm debido al corto camino libre medio inelástico de los electrones en los sólidos, lo que permite perfilar la profundidad mediante técnicas como XPS con resolución de ángulo o grabado iónico. El hardware generalmente incluye una fuente de rayos X (por ejemplo, Al Kα a 1486,6 eV), un analizador de energía de electrones hemisférico para dispersión y operación en condiciones de vacío ultraalto (UHV) alrededor de 10−910^{-9}10−9 Torr para minimizar la contaminación de la superficie y la dispersión de electrones.[71][72][73]

La espectroscopía de electrones Auger (AES) complementa XPS excitando la muestra con un haz de electrones enfocado (típicamente 5-25 keV), lo que lleva a un proceso Auger donde la desintegración del agujero central da como resultado la emisión de un electrón Auger con energía cinética determinada por la diferencia en las energías de enlace de los niveles atómicos involucrados: EAuger=EK−EL1−EL2,L3E_{\text{Auger}} = E_{K} - E_{L1} - E_{L2,L3}EAuger​=EK​−EL1​−EL2,L3​ (para una transición KLL). A diferencia de XPS, la energía del electrón Auger es independiente de la energía del haz incidente, pero ambas técnicas comparten una sensibilidad superficial similar (1-10 nm) y utilizan analizadores hemisféricos para la resolución de energía, a menudo en el mismo entorno UHV (10−910^{-9}10−9 Torr). AES destaca por su alta resolución espacial (hasta 10 nm) para la obtención de imágenes y es más propenso a sufrir daños inducidos por el haz, lo que lo hace ideal para el mapeo elemental en superficies conductoras.[74]

La espectroscopia de pérdida de energía electrónica (EELS), integrada en la microscopía electrónica de transmisión (TEM), mide la energía perdida por un haz de electrones de alta energía (100-300 keV) mientras se transmite a través de una muestra delgada (<100 nm), revelando información sobre la composición elemental, la estructura electrónica y el enlace a través de excitaciones de plasmones o ionizaciones de capa interna. El espectro de pérdida de energía se dispersa utilizando analizadores de sector magnético o basados ​​en prismas, lo que proporciona una resolución de escala atómica cuando se combina con imágenes TEM, aunque requiere condiciones UHV similares a XPS y AES para mantener la calidad del haz. EELS se distingue por su capacidad para sondear información masiva en secciones delgadas, en contraste con el análisis estrictamente limitado a la superficie de XPS y AES.[75]

Resolución espectral

La resolución espectral se refiere a la capacidad de un espectrómetro para distinguir entre características espectrales muy cercanas en un espectro. Comúnmente se cuantifica mediante el poder de resolución R=λ/ΔλR = \lambda / \Delta\lambdaR=λ/Δλ, donde λ\lambdaλ es la longitud de onda central y Δλ\Delta\lambdaΔλ es la diferencia mínima de longitud de onda resoluble, típicamente definida como el ancho total a la mitad del máximo (FWHM) de la función de respuesta del instrumento. Otra métrica clave es la dispersión lineal recíproca, expresada como Δλ/dx\Delta\lambda / dxΔλ/dx, donde dxdxdx representa la separación espacial en el plano del detector para un intervalo de longitud de onda dado Δλ\Delta\lambdaΔλ; esto mide la eficacia con la que se dispersan las longitudes de onda en el sistema de detección.[78]

Varios parámetros instrumentales determinan la resolución espectral alcanzable. El ancho de la rendija de entrada juega un papel fundamental, ya que las rendijas más estrechas minimizan el ensanchamiento de las líneas espectrales pero reducen el rendimiento de la luz. La densidad de ranura de la red de difracción afecta directamente a la dispersión, y densidades más altas producen una separación más fina de longitudes de onda; por ejemplo, una rejilla con 1200 líneas por milímetro permite resoluciones de alrededor de 1 nm en espectrofotómetros UV-visible cuando se combina con rendijas optimizadas. Además, el tamaño de píxel del detector influye en la resolución al dictar la granularidad del muestreo del espectro disperso, donde los píxeles más pequeños mejoran la distinción de las características finas.[79][80][81]

La medición de la resolución espectral a menudo se basa en el criterio de Rayleigh, que considera dos picos resolubles si el pico máximo de uno se alinea con el primer mínimo del otro, equivalente a una separación que coincide con el FWHM de un pico individual. En espectrometría de masas, el poder de resolución se define de manera similar como R=m/ΔmR = m / \Delta mR=m/Δm, donde mmm es la relación masa-carga y Δm\Delta mΔm es la diferencia de masa distinguible más pequeña, lo que permite la separación de variantes isotópicas o moleculares.

Se puede lograr una resolución espectral ultraalta, más allá de los sistemas convencionales basados ​​en rejillas, utilizando etalons o interferómetros de Fabry-Pérot, que explotan la interferencia de múltiples haces para lograr poderes de resolución superiores a 10610^6106 a través de cavidades de alta delicadeza que reducen drásticamente el ancho de banda instrumental. Estas capacidades permiten una detección elemental precisa en aplicaciones que requieren discriminación de líneas atómicas estrechas.

Sensibilidad y límites de detección

La sensibilidad en los espectrómetros se refiere a la capacidad del instrumento para detectar y cuantificar analitos de baja concentración, gobernada principalmente por la relación señal-ruido (SNR) y el límite de detección (LOD). El LOD se define como la concentración más baja de un analito que produce una señal distinguible del ruido, comúnmente calculada como LOD = 3σ/m, donde σ es la desviación estándar del ruido en una medición en blanco y m es la pendiente de la curva de calibración.[85] La optimización de la SNR implica maximizar la señal y al mismo tiempo minimizar las contribuciones de ruido, lo que permite una detección confiable a niveles de trazas.[86]

Las principales fuentes de ruido en los espectrómetros incluyen el ruido de disparo, que surge de la naturaleza discreta de los fotones o portadores de carga con una desviación estándar de √N (donde N es el número de eventos), el ruido térmico (Johnson-Nyquist), que es proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura y el ancho de banda, y el ruido de parpadeo (ruido 1/f), dominante en bajas frecuencias debido a imperfecciones del material.[86] Estos pueden minimizarse mediante técnicas como el enfriamiento del detector utilizando elementos Peltier, que reducen el ruido térmico y la corriente oscura al reducir la temperatura de funcionamiento, mejorando así la SNR para aplicaciones con poca luz, como los espectrómetros ópticos basados ​​en CCD.[87]

Los métodos de mejora incluyen la amplificación lock-in, que modula la señal a una frecuencia conocida y la demodula para rechazar el ruido de banda ancha, logrando mejoras de la SNR de órdenes de magnitud en entornos ruidosos.[88] En los espectrómetros de transformada de Fourier (FT), la ventaja de Fellgett proporciona un beneficio múltiplex, donde la SNR escala con la raíz cuadrada del número de canales espectrales (SNR ∝ √M, con M canales), ya que todas las longitudes de onda se miden simultáneamente, superando el escaneo dispersivo cuando domina el ruido del detector.

Los límites de detección varían según el tipo de espectrómetro; por ejemplo, la espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente (ICP-MS) alcanza límites en el rango de partes por mil millones (ppb) para muchos elementos debido a una ionización eficiente y una separación de masas de alta resolución.[90] Por el contrario, los espectrómetros de absorción ultravioleta-visible (UV-Vis) suelen ofrecer límites en el rango de partes por millón (ppm), adecuados para análisis de mayor concentración, pero limitados por la longitud del camino y la absortividad molar.[91] Si bien la resolución espectral respalda la identificación de picos, la sensibilidad determina en última instancia las concentraciones más bajas detectables en estos sistemas.

Aplicaciones científicas y analíticas

En química, los espectrómetros desempeñan un papel fundamental en la identificación molecular y el análisis cuantitativo. La espectroscopia infrarroja (IR) se emplea ampliamente para detectar grupos funcionales en compuestos orgánicos midiendo bandas de absorción características correspondientes a vibraciones moleculares, como la extensión C=O alrededor de 1700 cm⁻¹ para carbonilos o la extensión O-H cerca de 3300 cm⁻¹ para alcoholes.[92] La espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) sobresale en la elucidación de estructuras, proporcionando información detallada sobre la conectividad atómica, la estereoquímica y la dinámica a través de cambios químicos, constantes de acoplamiento e integración de señales de protones o carbono en espectros unidimensionales y bidimensionales.[93] Para fines cuantitativos, la espectroscopia ultravioleta-visible (UV-Vis) permite mediciones precisas de la concentración mediante la ley de Beer, donde la absorbancia en una longitud de onda específica es proporcional a la concentración del analito, comúnmente aplicada en valoraciones o ensayos para especies como iones metálicos o biomoléculas.[94]

En física y astronomía, los espectrómetros ópticos analizan líneas de emisión y absorción para determinar composiciones y movimientos estelares. Al examinar las líneas espectrales de elementos como el hidrógeno o el helio, los astrónomos infieren las temperaturas de la superficie, la abundancia y las etapas evolutivas de las estrellas, ya que la intensidad y el ancho de las líneas revelan los estados de ionización y las condiciones atmosféricas. Los cambios Doppler en estos espectros, causados ​​por el movimiento relativo, permiten medir las velocidades radiales; por ejemplo, un corrimiento al rojo indica recesión, lo que permite mapear la dinámica galáctica y la detección de exoplanetas a través de oscilaciones estelares. En física de partículas, la espectrometría de masas identifica isótopos separando iones basándose en relaciones masa-carga, algo crucial para estudiar reacciones nucleares, cadenas de desintegración y mediciones precisas de masa de nucleidos de vida corta en aceleradores.[97] La espectrometría de masas también se aplica en la exploración espacial; por ejemplo, el Analizador Térmico y de Gas Evolucionado (TEGA) del Phoenix Mars Lander de la NASA utilizó un espectrómetro de masas para calentar muestras de suelo marciano hasta 1000 °C y analizar los volátiles liberados, identificando compuestos como percloratos y carbonatos mientras buscaba moléculas orgánicas para evaluar la composición del suelo y su posible habitabilidad.[98]

La investigación biológica y médica aprovecha los espectrómetros para análisis y diagnóstico biomoleculares. La espectrometría de masas (MS) es fundamental en proteómica, donde la MS en tándem (MS/MS) fragmenta péptidos para secuenciar proteínas, identifica modificaciones postraduccionales y cuantifica los niveles de expresión en mezclas complejas como lisados ​​celulares.[99] La resonancia magnética (MRI), una adaptación de los principios de la NMR, utiliza codificación espacial de señales de radiofrecuencia de núcleos de hidrógeno para generar imágenes de alta resolución de tejidos blandos, lo que ayuda en el diagnóstico de trastornos neurológicos, tumores y afecciones cardiovasculares sin radiación ionizante.[100] La espectroscopia de resonancia magnética (MRS), una extensión de la RMN, mide las concentraciones de metabolitos en el cerebro para detectar cambios bioquímicos, lo que permite el diagnóstico de tumores, la diferenciación entre recurrencia tumoral y necrosis por radiación, y la evaluación de afecciones como accidente cerebrovascular o epilepsia.[101] En entornos clínicos, la espectroscopia infrarroja respalda el análisis de los gases respiratorios, incluida la monitorización del dióxido de carbono mediante capnografía, para evaluar la ventilación del paciente y el estado de salud durante la anestesia y los cuidados intensivos.[102]

Un caso de estudio notable en monitoreo ambiental involucra la espectroscopia de absorción atómica (AAS) para detectar metales pesados ​​como plomo, cadmio y mercurio en muestras de agua y suelo. El AAS mide la absorbancia de la luz en longitudes de onda específicas del elemento después de la atomización en un horno de llama o de grafito, logrando límites de detección en el rango de partes por mil millones para evaluar los niveles de contaminación y el cumplimiento de las normas reglamentarias.[103] Las técnicas espectroscópicas también permiten medir los niveles de oxígeno disuelto en el agua mediante sensores ópticos y monitorear los contaminantes atmosféricos para evaluar la calidad ambiental.

Usos industriales y emergentes

En la industria farmacéutica, la espectroscopia de infrarrojo cercano (NIR) sirve como una herramienta no destructiva para el control de calidad de las tabletas, lo que permite una cuantificación rápida de ingredientes activos como atenolol, enalapril y ácido acetilsalicílico sin necesidad de preparación o disolución de muestras.[104] Este método utiliza modelos de calibración de mínimos cuadrados parciales para lograr una precisión de ±10% de los valores de ensayo declarados, independientemente de los excipientes o envases como blísteres, superando a la HPLC tradicional en velocidad para controles de rutina.[104]

La espectroscopia Raman facilita el monitoreo de procesos en línea en reactores químicos, proporcionando análisis en tiempo real de reacciones como la eterificación o esterificación en configuraciones de microrreactor o escala piloto (1500 L).[105] Al integrar sondas de fibra óptica, detecta puntos finales hasta 600 minutos antes que el HPLC fuera de línea, admite un control de fabricación continuo y mide parámetros como la glucosa en bioprocesos durante períodos prolongados (por ejemplo, 14 días en biorreactores de 500 L).[105]

La espectrometría de masas (EM) se aplica ampliamente en ciencia forense para el análisis de rastros de evidencia, incluida la identificación de metales en el cabello, fragmentos de vidrio y polímeros en fibras o pinturas.[106] Técnicas como la ablación por láser y la MS con plasma acoplado inductivamente (LA-ICP-MS) discriminan muestras de vidrio de las escenas del crimen con alta resolución elemental, mientras que la pirólisis-GC-MS vincula los rastros de polímeros con los sospechosos, como se valida en las normas ASTM desde 2004.[106] Además, la espectrometría de masas por imágenes puede detectar trazas de sustancias como la cocaína y sus metabolitos en una sola huella dactilar, distinguiendo entre contacto dérmico e ingestión según la distribución espacial y las intensidades relativas de la droga y sus metabolitos, proporcionando así valiosa evidencia forense.[107]

Los espectrómetros de sistemas microelectromecánicos miniaturizados (MEMS) emergentes permiten la integración a escala de chip en teléfonos inteligentes, ofreciendo análisis espectral inalámbrico e independiente en el rango de 340 a 780 nm con una resolución de 15 nm.[108] Estos dispositivos de bajo costo (menos de 50 g) utilizan rejillas fabricadas con MEMS para aplicaciones no destructivas como la evaluación de la madurez de la fruta mediante fluorescencia UV, lo que facilita las pruebas in situ sin equipos voluminosos.[108]

El análisis espectral mejorado por IA aprovecha el aprendizaje automático para el preprocesamiento y el reconocimiento de patrones en los datos del espectrómetro, mejorando la precisión cuantitativa al abordar el ruido, las líneas de base y los rayos cósmicos en técnicas como Raman o NIR.[109] Los modelos de aprendizaje profundo, como las redes neuronales convolucionales, superan a los mínimos cuadrados parciales tradicionales en la clasificación de espectros en múltiples instrumentos, lo que permite una identificación sólida en mezclas complejas.[109]

Generación de señales e interacción de muestras

En los espectrómetros, la preparación de la muestra se adapta al estado físico del material y a la técnica analítica para garantizar una generación de señal precisa y minimizar las interferencias. Las muestras sólidas a menudo se muelen hasta obtener polvos finos y se mezclan con matrices transparentes al infrarrojo, como bromuro de potasio (KBr), para formar gránulos translúcidos para espectroscopia infrarroja (IR), lo que permite realizar mediciones de transmisión sin pérdidas por dispersión. Para la espectroscopia atómica, los sólidos pueden disolverse en ácidos para la nebulización de la solución o vaporizarse directamente utilizando atomizadores de llama o de horno de grafito para producir átomos libres. Las muestras líquidas generalmente requieren dilución con solventes compatibles para reducir la viscosidad y la concentración, o inyección directa si son compatibles con el instrumento, mientras que las muestras de gas pueden introducirse directamente o preconcentrarse mediante adsorción en sorbentes sólidos para mejorar la detectabilidad. Para evitar la contaminación y los efectos de la matriz, como la supresión de iones en la espectrometría de masas donde los compuestos coeluyentes alteran la eficiencia de la ionización, se aplican de forma rutinaria técnicas de purificación como la extracción en fase sólida (SPE) o la precipitación de proteínas, lo que garantiza extractos más limpios y una cuantificación confiable.

La generación de señales se basa en fuentes especializadas adaptadas al tipo de espectrómetro, que interactúan con la muestra preparada para producir emisiones o iones detectables. En los espectrómetros ópticos, las fuentes continuas de banda ancha incluyen lámparas halógenas de tungsteno, que emiten radiación de cuerpo negro de aproximadamente 360 ​​a 2600 nm, adecuada para análisis visible e infrarrojo cercano, y lámparas de arco de deuterio que proporcionan una salida intensa de 190 a 400 nm para espectroscopia ultravioleta. Los láseres, con su salida monocromática y coherente, permiten una excitación precisa para técnicas como la fluorescencia inducida por láser o la espectroscopia Raman. En los espectrómetros de masas, la ionización electrónica (EI) emplea un haz de electrones de 70 eV para bombardear muestras vaporizadas, produciendo iones y fragmentos moleculares para la elucidación estructural, mientras que la ionización por electropulverización (ESI) nebuliza muestras líquidas en gotas cargadas bajo alto voltaje, evaporando el disolvente para producir iones intactos en fase gaseosa ideales para biomoléculas.

La interacción entre la fuente de la señal y la muestra excita los analitos a estados mensurables a través de varios mecanismos. La excitación térmica, como en la espectroscopia de emisión o absorción atómica de llama, calienta el aerosol de la muestra a 2000-3000 K, desolvatando y atomizando los analitos al tiempo que promueve las transiciones electrónicas. Los métodos de descarga eléctrica, como arcos, chispas o plasmas acoplados inductivamente (ICP), generan plasmas de alta temperatura (hasta 10.000 K) mediante energía de radiofrecuencia para ionizar y excitar átomos de manera eficiente para el análisis de emisiones. La excitación inducida por láser, utilizada en espectroscopia de ruptura inducida por láser (LIBS), enfoca un láser pulsado para crear un microplasma en la superficie de la muestra, vaporizando y excitando el material para un análisis rápido e in situ de sólidos.

Las muestras interactúan con estas fuentes dentro de sistemas de contención especializados para mantener caminos ópticos o trayectorias de iones. Las cubetas de cuarzo, con longitudes de paso de 1 a 10 mm, contienen alícuotas de líquido para mediciones ópticas basadas en transmisión y ofrecen una baja absorbancia de fondo desde 170 nm en adelante. Las celdas de flujo, conectadas mediante tubos a las bombas, facilitan la entrega continua de muestras para el monitoreo en tiempo real en el control de procesos o sistemas separados como la cromatografía-espectrometría líquida.

La manipulación de muestras peligrosas exige estrictos protocolos de seguridad para mitigar los riesgos durante la preparación y la interacción. Para la espectrometría gamma que involucra isótopos radiactivos, el blindaje de plomo, los manipuladores remotos y las cajas de guantes previenen la exposición, y el monitoreo dosimétrico garantiza que las dosis se mantengan por debajo de los límites regulatorios como los de la Agencia Internacional de Energía Atómica. La generación de señales reproducibles cumple con estándares como ISO/IEC 17025, que describe procedimientos de preparación y muestreo validados para laboratorios acreditados, incluida la trazabilidad y la estimación de incertidumbre para respaldar el aseguramiento de la calidad en los análisis espectrométricos.

Mecanismos de dispersión y separación

En los espectrómetros, los mecanismos de dispersión y separación son esenciales para aislar componentes espectrales en función de sus propiedades inherentes, como la longitud de onda en los sistemas ópticos o la relación masa-carga en los espectrómetros de masas. Estos mecanismos explotan principios físicos como la difracción, la refracción o las trayectorias inducidas por campos para resolver señales angular o espacialmente, lo que permite un análisis posterior sin superposición. Antes de la dispersión, en los espectrómetros ópticos, la radiación entrante pasa primero a través de una rendija de entrada, una abertura estrecha que limita el ancho y la divergencia angular del haz de luz para definir la resolución espectral del instrumento; los anchos típicos varían de 10 a 200 µm, donde las rendijas más estrechas mejoran la resolución pero reducen el rendimiento de la luz. Luego, la luz se colima mediante elementos ópticos como una lente o un espejo curvo, que recoge los rayos divergentes de la rendija y forma un haz paralelo para iluminar uniformemente el elemento dispersor, optimizando la eficiencia y minimizando las aberraciones.

La dispersión óptica se basa principalmente en rejillas de difracción y prismas para separar longitudes de onda. Las rejillas de difracción consisten en reglas periódicas que causan interferencia constructiva para longitudes de onda específicas en ángulos particulares, regidas por la ecuación de la rejilla mλ=d(sin⁡i+sin⁡θ)m\lambda = d (\sin i + \sin \theta)mλ=d(sini+sinθ), donde mmm es el orden de difracción, λ\lambdaλ es la longitud de onda, ddd es el espaciado de la rejilla, iii es el ángulo de incidencia y θ\thetaθ es el ángulo de difracción; para incidencia normal (i=0i = 0i=0), esto se simplifica a dsin⁡θ=mλd \sin \theta = m\lambdadsinθ=mλ.[23] Esta dispersión angular permite que diferentes longitudes de onda se propaguen en distintas direcciones, con rejillas más finas (ddd más pequeñas) que proporcionan una mayor resolución al aumentar la separación angular por unidad de longitud de onda. Los prismas, por el contrario, logran la dispersión a través de la refracción, donde el índice de refracción variable del material con la longitud de onda hace que las longitudes de onda más cortas (por ejemplo, la luz azul) se doblen más que las más largas (por ejemplo, la luz roja) al pasar a través del prisma, lo que resulta en un espectro continuo extendido a lo largo de una cara de salida. Esta dispersión dependiente del material se cuantifica mediante la diferencia en los índices de refracción en las longitudes de onda, generalmente más fuertes en el ultravioleta pero limitadas por la absorción en ciertos materiales.[26]

En los espectrómetros no ópticos, la separación se produce mediante interacciones con campos electromagnéticos adaptados a la carga y masa del analito. Para la espectrometría de masas, los iones son desviados por campos magnéticos y eléctricos de acuerdo con la fuerza de Lorentz F=q(E+v×B)\mathbf{F} = q (\mathbf{E} + \mathbf{v} \times \mathbf{B})F=q(E+v×B), donde qqq es la carga del ion, v\mathbf{v}v es su velocidad, E\mathbf{E}E es el campo eléctrico y B\mathbf{B}B es el campo magnético; en los analizadores de sectores magnéticos, la fuerza centrípeta equilibra el componente magnético, produciendo trayectorias con radios proporcionales a m/qm/qm/q, separando así espacialmente los iones por relación masa-carga.[27] En los espectrómetros de resonancia magnética nuclear (RMN), los campos de radiofrecuencia (RF) interactúan con espines nucleares que precesan en la frecuencia de Larmor ω=γB\omega = \gamma Bω=γB, donde γ\gammaγ es la relación giromagnética específica del núcleo y BBB es la intensidad del campo magnético estático; Los pulsos de RF resonantes a esta frecuencia inclinan los espines, y los cambios químicos provocan ligeras variaciones de frecuencia que se separan durante el procesamiento de la señal.

Detección y Adquisición de Datos

En los espectrómetros, la detección de componentes espectrales separados se basa en detectores especializados que convierten los fotones, iones o electrones entrantes en señales eléctricas mensurables. Los tubos fotomultiplicadores (PMT) se utilizan ampliamente para aplicaciones de conteo de fotones individuales, donde amplifican fotoelectrones a través de una serie de dinodos para lograr alta sensibilidad y bajo ruido, lo que permite la detección de señales débiles en condiciones de poca luz.[32] Los dispositivos de carga acoplada (CCD) sirven como detectores de matriz para la captura simultánea en múltiples longitudes de onda, ofreciendo una alta eficiencia cuántica (hasta el 90 % en modelos retroiluminados) debido a su capacidad para recolectar casi todos los fotones incidentes en los rangos visible e infrarrojo cercano.[33] Las placas de microcanales (MCP) se emplean para eventos de sincronización rápida, proporcionando una resolución inferior a nanosegundos mediante la multiplicación de electrones en microcanales paralelos, lo cual es esencial para la espectroscopia de fenómenos transitorios con resolución temporal.[34]

La adquisición de datos sigue a la detección, donde las señales analógicas de estos dispositivos se digitalizan para su posterior análisis. Los convertidores analógico-digital (ADC) suelen funcionar con una resolución de 12 a 16 bits en los espectrómetros, lo que permite una cuantificación precisa de las intensidades de las señales con una distorsión mínima, como se ve en sistemas como las unidades UV-Vis compactas que alcanzan una profundidad de 16 bits para un rango dinámico mejorado.[35] Una métrica de rendimiento clave es la relación señal-ruido (SNR), definida como la amplitud de la señal dividida por la raíz cuadrada de la varianza del ruido, que cuantifica la detectabilidad de las características espectrales en medio de fluctuaciones de fondo, particularmente en condiciones de ruido limitado.[36]

El procesamiento posterior a la adquisición transforma los datos sin procesar en espectros interpretables mediante técnicas como la corrección de la línea de base, que resta la deriva instrumental y las contribuciones de fondo para aislar señales espectrales verdaderas, y la integración de picos, que calcula áreas bajo los picos para cuantificar las concentraciones de analitos.[37] El software especializado permite la deconvolución espectral, como la autodeconvolución de Fourier en la espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier (FT-IR), donde las transformadas de Fourier apodizadas mejoran la resolución de bandas superpuestas al estrechar matemáticamente los anchos de línea sin alterar las posiciones de los picos.

La calibración garantiza la precisión de los datos detectados y procesados. La calibración de longitud de onda utiliza líneas de emisión de fuentes conocidas, como la lámpara de arco de mercurio, cuyas líneas discretas (por ejemplo, 253,65 nm y 546,07 nm) proporcionan referencias precisas para alinear el eje espectral en los rangos UV-Vis-NIR.[39] La calibración de intensidad emplea estándares trazables, como fuentes certificadas por NIST o lámparas halógenas de deuterio, para corregir las variaciones de respuesta del detector y lograr mediciones de radiancia absoluta.[40]

Contenido

The following table summarizes some common types of spectrometers, what they measure, and their typical applications:

Espectrómetros ópticos

Los espectrómetros ópticos son instrumentos analíticos que miden la interacción de la materia con la radiación electromagnética en las regiones ultravioleta (UV), visible (Vis) e infrarroja (IR) del espectro, que generalmente abarcan longitudes de onda desde aproximadamente 190 nm hasta varios micrómetros. Estos dispositivos dispersan la luz entrante en sus longitudes de onda constituyentes para producir espectros que revelan información sobre la estructura, composición y concentración molecular. La dispersión se logra principalmente a través de rejillas de difracción, que separan longitudes de onda según la desviación angular causada por microestructuras periódicas, o mediante métodos interferométricos que codifican información espectral en patrones de interferencia.

Un subtipo clave es la espectroscopia de absorción, particularmente en el rango UV-Vis (190–800 nm), donde la absorción de luz por las muestras sigue el principio de Beer-Lambert, que relaciona la absorbancia con la concentración, la longitud del camino y la absortividad molar. Esta técnica cuantifica especies midiendo la atenuación de la luz transmitida después de pasar a través de una muestra, proporcionando datos sobre las transiciones electrónicas en las moléculas. Por el contrario, la espectroscopia de emisión excita átomos o iones para producir emisiones de luz características, analizadas para la identificación elemental; La espectroscopia de emisión de llama utiliza una llama para vaporizar y excitar muestras, mientras que la espectroscopia de emisión óptica de plasma acoplado inductivamente (ICP-OES) emplea un plasma de alta temperatura (alrededor de 6000 a 10 000 K) para una sensibilidad superior en el análisis de elementos traza en múltiples elementos simultáneamente.

La espectroscopia Raman representa otro subtipo, que se basa en la dispersión inelástica de luz monocromática (a menudo procedente de láseres) para sondear vibraciones y rotaciones moleculares. Cuando los fotones interactúan con la muestra, la mayoría sufre dispersión elástica de Rayleigh, pero una pequeña fracción (aproximadamente 1 en 10^7) experimenta dispersión Raman, cambiando la energía en cantidades correspondientes a modos vibratorios, lo que produce un espectro de "huella digital" para identificar grupos funcionales sin preparación de la muestra. La espectroscopia infrarroja (IR), incluida la IR por transformada de Fourier (FTIR), apunta a longitudes de onda del IR medio (4000–400 cm⁻¹) para detectar transiciones vibratorias asociadas con grupos funcionales como enlaces C=O u O-H, útiles para la caracterización de compuestos orgánicos. FTIR mejora la resolución y la velocidad sobre el IR dispersivo mediante el uso de un interferómetro de Michelson, que divide un haz de IR de banda ancha, lo recombina después de la modulación de trayectoria para formar un interferograma y aplica la transformada rápida de Fourier (FFT) para convertir esta señal en el dominio del tiempo en un espectro en el dominio de la frecuencia.

Los fundamentos de la espectroscopia de emisión óptica se remontan a 1859, cuando Robert Bunsen y Gustav Kirchhoff desarrollaron la espectroscopia de llama utilizando un mechero Bunsen y un espectroscopio de prisma para observar líneas de emisión únicas de elementos como el cesio y el rubidio, estableciendo la espectroscopia como una herramienta para el análisis elemental cualitativo. Este avance demostró que cada elemento produce una firma espectral distinta, revolucionando la identificación química.

Los espectrómetros ópticos modernos han evolucionado hasta convertirse en dispositivos portátiles y compactos para aplicaciones de campo, como monitoreo ambiental in situ o verificación de materiales, y a menudo integran rejillas miniaturizadas o detectores como sensores CMOS para análisis en tiempo real. Los espectrómetros de imágenes hiperespectrales amplían esta capacidad al capturar datos espaciales y espectrales simultáneamente a través de cientos de bandas estrechas, lo que permite aplicaciones como la detección remota de la salud de la vegetación o el mapeo de minerales desde drones o satélites. Estos avances priorizan la robustez, el funcionamiento con batería y las interfaces fáciles de usar, manteniendo al mismo tiempo una alta resolución (hasta 1 a 5 nm).[52][53][54]

Espectrómetros de masas

Los espectrómetros de masas son instrumentos analíticos que miden la relación masa-carga (m/z) de iones para identificar y cuantificar moléculas en una muestra. Operan ionizando la muestra para producir partículas cargadas, separando estos iones en función de sus valores m/z y detectándolos para generar un espectro de masas. A diferencia de los espectrómetros ópticos que se basan en la dispersión de la longitud de onda de la luz, los espectrómetros de masas se centran en las propiedades físicas de los iones en campos eléctricos, magnéticos o combinados.[55]

La ionización es el paso inicial en la espectrometría de masas, que convierte moléculas neutras en iones en fase gaseosa adecuados para el análisis. La ionización por impacto electrónico (EI), un método de ionización dura, bombardea analitos gaseosos con electrones de 70 eV, produciendo iones moleculares y patrones de fragmentación extensos que ayudan en la elucidación estructural.[56] Para las biomoléculas, la desorción/ionización láser asistida por matriz (MALDI) utiliza un láser para desorber e ionizar analitos incrustados en una matriz absorbente de UV, lo que permite el análisis de moléculas grandes y frágiles con una fragmentación mínima.[57] La ionización por electropulverización (ESI), una técnica suave para muestras líquidas, genera iones aplicando un alto voltaje a una solución nebulizada, produciendo iones con carga múltiple a partir de compuestos polares como proteínas sin una descomposición significativa.

La separación de iones en los espectrómetros de masas se produce mediante varios analizadores que aprovechan las diferencias en las trayectorias de los iones. El analizador de cuadrupolo utiliza cuatro varillas paralelas a las que se aplican voltajes de corriente continua (CC) y radiofrecuencia (RF) para crear campos eléctricos oscilantes; Los iones siguen caminos estables hacia el detector sólo si su m/z coincide con la región de estabilidad definida por el diagrama de estabilidad de Mathieu, filtrando los iones selectivamente. Los analizadores de tiempo de vuelo (TOF) aceleran iones en un campo eléctrico uniforme y miden su tiempo de vuelo a lo largo de una longitud de trayectoria fija LLL, donde la relación m/z está dada por

con VVV como voltaje de aceleración y ttt como tiempo de vuelo; Los iones más ligeros llegan más rápido, lo que permite un análisis rápido y de alto rendimiento./Instrumentation_and_Analysis/Mass_Spectrometry/Time-of-Flight_(TOF)_Mass_Spectrometry) Los analizadores de sectores magnéticos dirigen los iones a través de un campo magnético uniforme BBB, donde el radio de curvatura rrr de la trayectoria del ión satisface

con mmm como masa, vvv como velocidad y qqq como carga; escanear el campo separa los iones por relación impulso-carga para una resolución moderada./04%3A_MASS_ANALYZERS/4.02%3A_Magnetic_Sector)

Los analizadores avanzados mejoran la resolución de mezclas complejas. El Orbitrap atrapa iones en un campo electrostático alrededor de un huso central, donde sus frecuencias orbitales se relacionan inversamente con m/z\sqrt{m/z}m/z​, logrando resoluciones de hasta 500 000 a m/z 200 para una distinción isotópica precisa.[60] Los analizadores de resonancia de ciclotrón de iones (ICR), a menudo basados ​​en la transformada de Fourier, confinan los iones en un fuerte campo magnético donde orbitan en ciclotrón a frecuencias proporcionales a qB/m; La transformación de Fourier de la corriente de imagen inducida produce una resolución ultraalta superior a 1.000.000 para la asignación detallada de fórmulas moleculares.[61]

Espectrómetros de resonancia magnética nuclear

Los espectrómetros de resonancia magnética nuclear (RMN) funcionan colocando una muestra en un fuerte campo magnético, donde los espines nucleares se alinean y precesan, lo que lleva a la división Zeeman de los niveles de energía proporcional a la intensidad del campo B0B_0B0.[63] Esta división permite la absorción de energía de radiofrecuencia (RF) en la frecuencia de Larmor, ν=γB0/2π\nu = \gamma B_0 / 2\piν=γB0​/2π, donde γ\gammaγ es la relación giromagnética. El cambio químico surge del blindaje magnético local por electrones, cuantificado como δ=νsample−νrefνref×106\delta = \frac{\nu_\text{sample} - \nu_\text{ref}}{\nu_\text{ref}} \times 10^6δ=νref​νsample​−νref​​×106 ppm, proporcionando información sobre el entorno químico de núcleos como 1H^1H1H o 13C^{13}C13C.[63] El acoplamiento espín-espín, o acoplamiento J, a través de enlaces provoca la división de las resonancias en multipletes regidos por la regla n+1, con constantes de acoplamiento J medidas en Hz, lo que revela la conectividad entre núcleos.

El hardware de los espectrómetros de RMN se centra en imanes superconductores, que normalmente generan campos de 6 T a 23,5 T (correspondientes a 250 MHz a 1 GHz para 1H^1H1H), enfriados con helio líquido para lograr resistencia cero y alta estabilidad. Las bobinas de RF emiten secuencias de pulsos precisas, como un pulso de 90° que inclina la magnetización hacia el plano transversal, induciendo una señal de caída de inducción libre (FID) detectada por la misma bobina o por bobinas separadas.[66] El FID en el dominio del tiempo se convierte a un espectro en el dominio de la frecuencia mediante la transformada de Fourier, lo que permite la resolución de cambios y acoplamientos químicos.

La RMN unidimensional (1D) proporciona espectros básicos de cambios químicos e integrales, mientras que las técnicas bidimensionales (2D) como COZY correlacionan espines acoplados a través del acoplamiento J para mapear las conectividades protón-protón, y NOESY revela proximidades espaciales a través del espacio. Efectos de Overhauser nuclear para la determinación de la estructura molecular. Para muestras sólidas, el giro de ángulo mágico (MAS) gira la muestra a 54,74° con respecto al eje del campo magnético, promediando interacciones anisotrópicas para producir espectros de alta resolución similares a las soluciones.

Los avances incluyen métodos de hiperpolarización como la polarización nuclear dinámica (DNP), que aumenta la intensidad de la señal en órdenes de magnitud (por ejemplo, 100 veces para 1H^1H1H) mediante irradiación con microondas en muestras dopadas con radicales a bajas temperaturas, lo que mejora la sensibilidad para analitos de baja concentración.[69] Los espectrómetros de RMN de campo bajo de sobremesa, que funcionan a 1-2 T (43-100 MHz para 1H^1H1H) con imanes permanentes, permiten análisis portátiles y rentables para el seguimiento de reacciones y el control de calidad, a menudo combinados con hiperpolarización como SABRE para obtener mayores ganancias de sensibilidad de hasta 17 000 veces.[70]

Espectrómetros de electrones y de ionización

Los espectrómetros de electrones y de ionización utilizan haces de electrones o procesos de ionización para sondear la composición elemental y de superficies, proporcionando análisis de alta resolución de materiales a escala atómica. Estas técnicas son particularmente valiosas para investigaciones sensibles a superficies, ya que los electrones e iones emitidos o dispersos se originan en los primeros nanómetros de una muestra, lo que permite una caracterización detallada de interfaces, películas delgadas y estados químicos.

La espectroscopia de fotoelectrones de rayos X (XPS), también conocida como espectroscopia de electrones para análisis químico (ESCA), funciona con el efecto fotoeléctrico, donde los fotones de rayos X irradian la muestra, expulsando electrones a nivel central cuya energía cinética revela energías de enlace características de los elementos y sus entornos químicos. La energía de enlace EbE_bEb​ se calcula como Eb=hν−KE−ϕE_b = h\nu - KE - \phiEb​=hν−KE−ϕ, donde hνh\nuhν es la energía del fotón, KEKEKE es la energía cinética medida del fotoelectrón y ϕ\phiϕ es la función de trabajo del espectrómetro. Este método logra una sensibilidad superficial de 1 a 10 nm debido al corto camino libre medio inelástico de los electrones en los sólidos, lo que permite perfilar la profundidad mediante técnicas como XPS con resolución de ángulo o grabado iónico. El hardware generalmente incluye una fuente de rayos X (por ejemplo, Al Kα a 1486,6 eV), un analizador de energía de electrones hemisférico para dispersión y operación en condiciones de vacío ultraalto (UHV) alrededor de 10−910^{-9}10−9 Torr para minimizar la contaminación de la superficie y la dispersión de electrones.[71][72][73]

La espectroscopía de electrones Auger (AES) complementa XPS excitando la muestra con un haz de electrones enfocado (típicamente 5-25 keV), lo que lleva a un proceso Auger donde la desintegración del agujero central da como resultado la emisión de un electrón Auger con energía cinética determinada por la diferencia en las energías de enlace de los niveles atómicos involucrados: EAuger=EK−EL1−EL2,L3E_{\text{Auger}} = E_{K} - E_{L1} - E_{L2,L3}EAuger​=EK​−EL1​−EL2,L3​ (para una transición KLL). A diferencia de XPS, la energía del electrón Auger es independiente de la energía del haz incidente, pero ambas técnicas comparten una sensibilidad superficial similar (1-10 nm) y utilizan analizadores hemisféricos para la resolución de energía, a menudo en el mismo entorno UHV (10−910^{-9}10−9 Torr). AES destaca por su alta resolución espacial (hasta 10 nm) para la obtención de imágenes y es más propenso a sufrir daños inducidos por el haz, lo que lo hace ideal para el mapeo elemental en superficies conductoras.[74]

La espectroscopia de pérdida de energía electrónica (EELS), integrada en la microscopía electrónica de transmisión (TEM), mide la energía perdida por un haz de electrones de alta energía (100-300 keV) mientras se transmite a través de una muestra delgada (<100 nm), revelando información sobre la composición elemental, la estructura electrónica y el enlace a través de excitaciones de plasmones o ionizaciones de capa interna. El espectro de pérdida de energía se dispersa utilizando analizadores de sector magnético o basados ​​en prismas, lo que proporciona una resolución de escala atómica cuando se combina con imágenes TEM, aunque requiere condiciones UHV similares a XPS y AES para mantener la calidad del haz. EELS se distingue por su capacidad para sondear información masiva en secciones delgadas, en contraste con el análisis estrictamente limitado a la superficie de XPS y AES.[75]

Resolución espectral

La resolución espectral se refiere a la capacidad de un espectrómetro para distinguir entre características espectrales muy cercanas en un espectro. Comúnmente se cuantifica mediante el poder de resolución R=λ/ΔλR = \lambda / \Delta\lambdaR=λ/Δλ, donde λ\lambdaλ es la longitud de onda central y Δλ\Delta\lambdaΔλ es la diferencia mínima de longitud de onda resoluble, típicamente definida como el ancho total a la mitad del máximo (FWHM) de la función de respuesta del instrumento. Otra métrica clave es la dispersión lineal recíproca, expresada como Δλ/dx\Delta\lambda / dxΔλ/dx, donde dxdxdx representa la separación espacial en el plano del detector para un intervalo de longitud de onda dado Δλ\Delta\lambdaΔλ; esto mide la eficacia con la que se dispersan las longitudes de onda en el sistema de detección.[78]

Varios parámetros instrumentales determinan la resolución espectral alcanzable. El ancho de la rendija de entrada juega un papel fundamental, ya que las rendijas más estrechas minimizan el ensanchamiento de las líneas espectrales pero reducen el rendimiento de la luz. La densidad de ranura de la red de difracción afecta directamente a la dispersión, y densidades más altas producen una separación más fina de longitudes de onda; por ejemplo, una rejilla con 1200 líneas por milímetro permite resoluciones de alrededor de 1 nm en espectrofotómetros UV-visible cuando se combina con rendijas optimizadas. Además, el tamaño de píxel del detector influye en la resolución al dictar la granularidad del muestreo del espectro disperso, donde los píxeles más pequeños mejoran la distinción de las características finas.[79][80][81]

La medición de la resolución espectral a menudo se basa en el criterio de Rayleigh, que considera dos picos resolubles si el pico máximo de uno se alinea con el primer mínimo del otro, equivalente a una separación que coincide con el FWHM de un pico individual. En espectrometría de masas, el poder de resolución se define de manera similar como R=m/ΔmR = m / \Delta mR=m/Δm, donde mmm es la relación masa-carga y Δm\Delta mΔm es la diferencia de masa distinguible más pequeña, lo que permite la separación de variantes isotópicas o moleculares.

Se puede lograr una resolución espectral ultraalta, más allá de los sistemas convencionales basados ​​en rejillas, utilizando etalons o interferómetros de Fabry-Pérot, que explotan la interferencia de múltiples haces para lograr poderes de resolución superiores a 10610^6106 a través de cavidades de alta delicadeza que reducen drásticamente el ancho de banda instrumental. Estas capacidades permiten una detección elemental precisa en aplicaciones que requieren discriminación de líneas atómicas estrechas.

Sensibilidad y límites de detección

La sensibilidad en los espectrómetros se refiere a la capacidad del instrumento para detectar y cuantificar analitos de baja concentración, gobernada principalmente por la relación señal-ruido (SNR) y el límite de detección (LOD). El LOD se define como la concentración más baja de un analito que produce una señal distinguible del ruido, comúnmente calculada como LOD = 3σ/m, donde σ es la desviación estándar del ruido en una medición en blanco y m es la pendiente de la curva de calibración.[85] La optimización de la SNR implica maximizar la señal y al mismo tiempo minimizar las contribuciones de ruido, lo que permite una detección confiable a niveles de trazas.[86]

Las principales fuentes de ruido en los espectrómetros incluyen el ruido de disparo, que surge de la naturaleza discreta de los fotones o portadores de carga con una desviación estándar de √N (donde N es el número de eventos), el ruido térmico (Johnson-Nyquist), que es proporcional a la raíz cuadrada de la temperatura y el ancho de banda, y el ruido de parpadeo (ruido 1/f), dominante en bajas frecuencias debido a imperfecciones del material.[86] Estos pueden minimizarse mediante técnicas como el enfriamiento del detector utilizando elementos Peltier, que reducen el ruido térmico y la corriente oscura al reducir la temperatura de funcionamiento, mejorando así la SNR para aplicaciones con poca luz, como los espectrómetros ópticos basados ​​en CCD.[87]

Los métodos de mejora incluyen la amplificación lock-in, que modula la señal a una frecuencia conocida y la demodula para rechazar el ruido de banda ancha, logrando mejoras de la SNR de órdenes de magnitud en entornos ruidosos.[88] En los espectrómetros de transformada de Fourier (FT), la ventaja de Fellgett proporciona un beneficio múltiplex, donde la SNR escala con la raíz cuadrada del número de canales espectrales (SNR ∝ √M, con M canales), ya que todas las longitudes de onda se miden simultáneamente, superando el escaneo dispersivo cuando domina el ruido del detector.

Los límites de detección varían según el tipo de espectrómetro; por ejemplo, la espectrometría de masas con plasma acoplado inductivamente (ICP-MS) alcanza límites en el rango de partes por mil millones (ppb) para muchos elementos debido a una ionización eficiente y una separación de masas de alta resolución.[90] Por el contrario, los espectrómetros de absorción ultravioleta-visible (UV-Vis) suelen ofrecer límites en el rango de partes por millón (ppm), adecuados para análisis de mayor concentración, pero limitados por la longitud del camino y la absortividad molar.[91] Si bien la resolución espectral respalda la identificación de picos, la sensibilidad determina en última instancia las concentraciones más bajas detectables en estos sistemas.

Aplicaciones científicas y analíticas

En química, los espectrómetros desempeñan un papel fundamental en la identificación molecular y el análisis cuantitativo. La espectroscopia infrarroja (IR) se emplea ampliamente para detectar grupos funcionales en compuestos orgánicos midiendo bandas de absorción características correspondientes a vibraciones moleculares, como la extensión C=O alrededor de 1700 cm⁻¹ para carbonilos o la extensión O-H cerca de 3300 cm⁻¹ para alcoholes.[92] La espectroscopia de resonancia magnética nuclear (RMN) sobresale en la elucidación de estructuras, proporcionando información detallada sobre la conectividad atómica, la estereoquímica y la dinámica a través de cambios químicos, constantes de acoplamiento e integración de señales de protones o carbono en espectros unidimensionales y bidimensionales.[93] Para fines cuantitativos, la espectroscopia ultravioleta-visible (UV-Vis) permite mediciones precisas de la concentración mediante la ley de Beer, donde la absorbancia en una longitud de onda específica es proporcional a la concentración del analito, comúnmente aplicada en valoraciones o ensayos para especies como iones metálicos o biomoléculas.[94]

En física y astronomía, los espectrómetros ópticos analizan líneas de emisión y absorción para determinar composiciones y movimientos estelares. Al examinar las líneas espectrales de elementos como el hidrógeno o el helio, los astrónomos infieren las temperaturas de la superficie, la abundancia y las etapas evolutivas de las estrellas, ya que la intensidad y el ancho de las líneas revelan los estados de ionización y las condiciones atmosféricas. Los cambios Doppler en estos espectros, causados ​​por el movimiento relativo, permiten medir las velocidades radiales; por ejemplo, un corrimiento al rojo indica recesión, lo que permite mapear la dinámica galáctica y la detección de exoplanetas a través de oscilaciones estelares. En física de partículas, la espectrometría de masas identifica isótopos separando iones basándose en relaciones masa-carga, algo crucial para estudiar reacciones nucleares, cadenas de desintegración y mediciones precisas de masa de nucleidos de vida corta en aceleradores.[97] La espectrometría de masas también se aplica en la exploración espacial; por ejemplo, el Analizador Térmico y de Gas Evolucionado (TEGA) del Phoenix Mars Lander de la NASA utilizó un espectrómetro de masas para calentar muestras de suelo marciano hasta 1000 °C y analizar los volátiles liberados, identificando compuestos como percloratos y carbonatos mientras buscaba moléculas orgánicas para evaluar la composición del suelo y su posible habitabilidad.[98]

La investigación biológica y médica aprovecha los espectrómetros para análisis y diagnóstico biomoleculares. La espectrometría de masas (MS) es fundamental en proteómica, donde la MS en tándem (MS/MS) fragmenta péptidos para secuenciar proteínas, identifica modificaciones postraduccionales y cuantifica los niveles de expresión en mezclas complejas como lisados ​​celulares.[99] La resonancia magnética (MRI), una adaptación de los principios de la NMR, utiliza codificación espacial de señales de radiofrecuencia de núcleos de hidrógeno para generar imágenes de alta resolución de tejidos blandos, lo que ayuda en el diagnóstico de trastornos neurológicos, tumores y afecciones cardiovasculares sin radiación ionizante.[100] La espectroscopia de resonancia magnética (MRS), una extensión de la RMN, mide las concentraciones de metabolitos en el cerebro para detectar cambios bioquímicos, lo que permite el diagnóstico de tumores, la diferenciación entre recurrencia tumoral y necrosis por radiación, y la evaluación de afecciones como accidente cerebrovascular o epilepsia.[101] En entornos clínicos, la espectroscopia infrarroja respalda el análisis de los gases respiratorios, incluida la monitorización del dióxido de carbono mediante capnografía, para evaluar la ventilación del paciente y el estado de salud durante la anestesia y los cuidados intensivos.[102]

Un caso de estudio notable en monitoreo ambiental involucra la espectroscopia de absorción atómica (AAS) para detectar metales pesados ​​como plomo, cadmio y mercurio en muestras de agua y suelo. El AAS mide la absorbancia de la luz en longitudes de onda específicas del elemento después de la atomización en un horno de llama o de grafito, logrando límites de detección en el rango de partes por mil millones para evaluar los niveles de contaminación y el cumplimiento de las normas reglamentarias.[103] Las técnicas espectroscópicas también permiten medir los niveles de oxígeno disuelto en el agua mediante sensores ópticos y monitorear los contaminantes atmosféricos para evaluar la calidad ambiental.

Usos industriales y emergentes

En la industria farmacéutica, la espectroscopia de infrarrojo cercano (NIR) sirve como una herramienta no destructiva para el control de calidad de las tabletas, lo que permite una cuantificación rápida de ingredientes activos como atenolol, enalapril y ácido acetilsalicílico sin necesidad de preparación o disolución de muestras.[104] Este método utiliza modelos de calibración de mínimos cuadrados parciales para lograr una precisión de ±10% de los valores de ensayo declarados, independientemente de los excipientes o envases como blísteres, superando a la HPLC tradicional en velocidad para controles de rutina.[104]

La espectroscopia Raman facilita el monitoreo de procesos en línea en reactores químicos, proporcionando análisis en tiempo real de reacciones como la eterificación o esterificación en configuraciones de microrreactor o escala piloto (1500 L).[105] Al integrar sondas de fibra óptica, detecta puntos finales hasta 600 minutos antes que el HPLC fuera de línea, admite un control de fabricación continuo y mide parámetros como la glucosa en bioprocesos durante períodos prolongados (por ejemplo, 14 días en biorreactores de 500 L).[105]

La espectrometría de masas (EM) se aplica ampliamente en ciencia forense para el análisis de rastros de evidencia, incluida la identificación de metales en el cabello, fragmentos de vidrio y polímeros en fibras o pinturas.[106] Técnicas como la ablación por láser y la MS con plasma acoplado inductivamente (LA-ICP-MS) discriminan muestras de vidrio de las escenas del crimen con alta resolución elemental, mientras que la pirólisis-GC-MS vincula los rastros de polímeros con los sospechosos, como se valida en las normas ASTM desde 2004.[106] Además, la espectrometría de masas por imágenes puede detectar trazas de sustancias como la cocaína y sus metabolitos en una sola huella dactilar, distinguiendo entre contacto dérmico e ingestión según la distribución espacial y las intensidades relativas de la droga y sus metabolitos, proporcionando así valiosa evidencia forense.[107]

Los espectrómetros de sistemas microelectromecánicos miniaturizados (MEMS) emergentes permiten la integración a escala de chip en teléfonos inteligentes, ofreciendo análisis espectral inalámbrico e independiente en el rango de 340 a 780 nm con una resolución de 15 nm.[108] Estos dispositivos de bajo costo (menos de 50 g) utilizan rejillas fabricadas con MEMS para aplicaciones no destructivas como la evaluación de la madurez de la fruta mediante fluorescencia UV, lo que facilita las pruebas in situ sin equipos voluminosos.[108]

El análisis espectral mejorado por IA aprovecha el aprendizaje automático para el preprocesamiento y el reconocimiento de patrones en los datos del espectrómetro, mejorando la precisión cuantitativa al abordar el ruido, las líneas de base y los rayos cósmicos en técnicas como Raman o NIR.[109] Los modelos de aprendizaje profundo, como las redes neuronales convolucionales, superan a los mínimos cuadrados parciales tradicionales en la clasificación de espectros en múltiples instrumentos, lo que permite una identificación sólida en mezclas complejas.[109]