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15.7: Aplicaciones modernas de la espectroscopia láser

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    Una visión general rápida

    La luz láser ofrece valiosas herramientas a los investigadores que deseen utilizar la interacción de la luz con la materia para interrogar sistemas atómicos y moleculares. La mayor parte de la luz láser se caracteriza por su casi monocromaticidad (relativa a la luz de otras fuentes), direccionalidad y coherencia [1]. Esas características se utilizan en la espectroscopia láser moderna. La monocromaticidad de la luz láser permite que se utilice para sondear cambios específicos de energía en átomos y moléculas. Esta capacidad para seleccionar longitudes de onda específicas permite a los científicos enfocarse en componentes elegidos en mezclas, incluyendo mezclas de reacción complejas. Por ejemplo, Park et. al. rastrearon la dinámica de la reacción del oxígeno en estado basal con el radical etilo mediante el uso de un rayo láser de 355 nm para rastrear uno de los productos de esta reacción [2]. Parsons et. al. utilizaron fuentes de luz láser casi monocromáticas para lograr la ionización selectiva de estado para el estudio de los productos de una reacción de fotodisociación de relevancia atmosférica [3]. La monocromaticidad láser se puede utilizar para cuantificar la cantidad de gases de efecto invernadero en la atmósfera [4]. Incluso cuando las muestras no son mezclas, la monocromaticidad permite a los investigadores recopilar información detallada sobre la estructura atómica y/o molecular. Las aplicaciones de este tipo son extremadamente numerosas, incluyendo estudios detallados de sistemas atómicos [5], materiales semiconductores [6], moléculas individuales [7] y moléculas biológicas [8]. Los láseres encuentran aplicaciones de investigación en arte y arqueología, donde la propiedad de la monocromaticidad permite sondear energías específicas y la direccionalidad del haz láser y el pequeño tamaño de punto limitan la destrucción de muestras [9,10].

    Otras aplicaciones láser se centran en la capacidad de los láseres pulsados para proporcionar pulsos cortos. Los láseres de pulso corto ofrecen innumerables herramientas para explorar la cinética química en una variedad de escalas de tiempo, incluidas las muy cortas. Los láseres de pulso corto abren la oportunidad de estudios resueltos en el tiempo de procesos moleculares como los procesos de reacción [2,11] y los procesos biológicos [12 - 15], y las propiedades de los estados excitados [16]. Algunas aplicaciones de investigación aprovechan la capacidad de ciertos láseres para producir luz de alta intensidad. Una de esas aplicaciones es la espectroscopia de desintegración inducida por láser (LIBS), en la que la alta intensidad del láser crea un plasma a partir de muestras sólidas o líquidas; ese plasma puede ser sondeado posteriormente [17]. Otras técnicas que explotan altas intensidades láser son las espectroscopias no lineales, donde las altas intensidades de algunos láseres pueden producir comportamientos en muestras que fuentes de menor potencia no pueden estimular suficientemente [18,19]. Si bien la mayoría de los láseres son monocromáticos y coherentes, algunos investigadores han modificado la luz láser para obtener información de la luz láser incoherente de banda ancha [20 — 22], lo que les permite sondear la respuesta de las muestras a la luz que se asemeja más a la luz solar (incoherente) que las fuentes láser tradicionales [22, 23]. Otra posibilidad es sondear múltiples longitudes de onda con fuentes láser de banda ancha que sean coherentes [24].

    Conclusión

    Esta breve descripción solo ha desnatado la superficie del vasto campo de la espectroscopia láser. Los ejemplos dados aquí son un subconjunto muy pequeño, algo arbitrario y significativamente sesgado de la enorme biblioteca de experimentos basados en láser publicados. Se han elegido referencias para dar ejemplos de los temas tratados aquí y no han sido ampliamente revisadas por el autor.

    En general, los láseres son especialmente útiles como fuentes de luz cuando se desean una o más de las siguientes propiedades para la luz en un experimento:

    1. Un alto grado de monocromaticidad
    2. Una longitud de onda central bien conocida para una fuente de luz
    3. Una fuente de luz ajustable
    4. Coherencia espacial
    5. Coherencia de fases
    6. Direccionalidad
    7. Alta intensidad
    8. Enfoque apretado
    9. Pulsos cortos

    Un tipo de láser en particular no necesariamente tendrá todas las propiedades de la lista anterior; sin embargo, el menú de tipos de láser disponibles permite a un investigador elegir un sistema láser o sistemas con las características necesarias para un experimento en particular. Se siguen inventando nuevas aplicaciones de la espectroscopia láser y nuevas técnicas espectroscópicas que emplean luz láser.

    Referencias

    [1] https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Analytical_Chemistry/Supplemental_Modules_(Analytical_Chemistry)/Analytical_Sciences_Digital_Library/JASDL/Courseware/Introduction_to_Lasers/03_Basic_Principles/01_Laser_Radiation_Properties

    [2] J. Phys. Chem. A 2010, 114, 14, 4891—4895; Fecha de publicación: 19 de febrero de 2010; https://doi.org/10.1021/jp910615y

    [3] J. Phys. Chem. A 2022, 126, 34, 5729—5737; Fecha de publicación: 22 de agosto de 2022; https://doi.org/10.1021/acs.jpca.2c04265

    [4] https://www.nist.gov/news-events/news/2021/06/nist-laser-comb-systems-now-measure-all-primary-greenhouse-gases-air

    [5] R. C. Thompson, 1985 Rep. Prog. Phys. 48 531; https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0034-4885/48/4/003

    [6] J. Phys. Chem. A 2020, 124, 15, 2972—2981; Fecha de publicación: 23 de marzo de 2020; https://doi.org/10.1021/acs.jpca.0c00370

    [7] J. Phys. Chem. A 1997, 101, 45, 8435— 8440; Fecha de publicación: 6 de noviembre de 1997; https://doi.org/10.1021/jp9719063

    [8] Jörg Standfuss, Dinámica de proteínas de membrana estudiada por láseres de rayos X — o por qué solo el tiempo lo dirá, Opinión Actual en Biología Estructural, Volumen 57, 2019, Páginas 63-71, ISSN 0959-440X, https://doi.org/10.1016/j.sbi.2019.02.001

    [9] https://www.getty.edu/conservation/about/science/laser_mass.html

    [10] https://www.laserfocusworld.com/test-measurement/spectroscopy/article/14183101/spectroscopy-uncovers-the-hidden-in-art-and-archaeology

    [11] J. Phys. Chem. 1996, 100, 31, 12701—12724; Fecha de publicación: 1 de agosto de 1996; https://doi.org/10.1021/jp960658s

    [12] Hideki Hashimoto, Mitsuru Sugisaki, Masayuki Yoshizawa,

    Espectroscopias vibracionales ultrarrápida resueltas en el tiempo de carotenoides en la fotosíntesis, Biochimica et Biophysica Acta - Bioenergética, Volumen 1847, Número 1, 2015, Páginas 69-78,

    ISSN 0005-2728, https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2014.09.001.

    [13] J Phys Chem A. 2003 9 oct; 107 (40): 8208—8214.; Fecha de publicación: 12 de junio de 2003; https://doi.org/ 10.1021/jp030147n

    [14] Bioquímica 2003, 42, 34, 10054-10059; Fecha de publicación: 5 de agosto de 2003; https://doi.org/10.1021/bi034878p

    [15] Holzwarth, A. (1989). Aplicaciones de la espectroscopia láser ultrarrápida para el estudio de sistemas biológicos. Revisiones Trimestrales de Biofísica, 22 (3), 239-326.

    https://doi.org/10.1017/S0033583500002985

    [16] J. Phys. Chem. B 2015, 119, 29, 9335—9344; Fecha de publicación:4 de noviembre de 2014;

    [17] Anal. Chem. 2013, 85, 2, 640—669; Fecha de publicación:8 de noviembre de 2012; https://doi.org/10.1021/ac303220r

    [18] https://chem.libretexts.org/Bookshelves/Physical_and_Theoretical_Chemistry_Textbook_Maps/Book%3A_Nonlinear_and_Two-Dimensional_Spectroscopy_(Tokmakoff)/00%3A_Front_Matter/05%3A_What_is_Nonlinear_Spectroscopy

    [19] Marc Levenson y Satoru Kano, Introducción a la espectroscopia láser no lineal, edición revisada, 2012, Prensa académica, ISBN-13:978-0124447226, ISBN-10:0124447228

    [20] J. Phys. Chem. A 2013, 117, 29, 5926—5954; Fecha de publicación: 26 de noviembre de 2012;

    [21] Turner, D., Arpin, P., McClure, S. et al. Espectros ópticos multidimensionales coherentes medidos con luz incoherente. Nat Commun 4, 2298 (2013). https://doi.org/10.1038/ncomms3298

    [22] J. Phys. Chem. A lett. 2012, 3, 21, 3136—3142; Fecha de publicación: 9 de octubre de 2012;

    [23] J. Phys. Chem. A lett. 2018, 9, 11, 2946—2955; Fecha de publicación: 15 de mayo de 2018;

    [24] Muraviev, A.V., Konnov, D. & Vodopyanov, K.L. Espectroscopia molecular de banda ancha de alta resolución con peines de frecuencia de infrarrojo medio intercalados. Sci Rep 10, 18700 (2020). https://doi.org/10.1038/s41598-020-75704-3

    Colaborador

    Stephanie Schaertel (Universidad Estatal del Gran Valle)

    (Gracias a Tom Neils (Grand Rapids Community College) por editar las referencias)

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