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¿Qué es la Espectroscopia?

Es el estudio de espectros, que se obtienen por la

interacción entre la luz y la materia

Es el estudio de espectros, que se obtienen por la

interacción entre la luz y la materia

¿Qué es la Luz?

Según Maxwell,la luz es un campo electromagnético caracterizado por:una frecuencia o longitud de onda , relacionadas por:

=cy una polarización

Interacción Luz-molécula

Absorción de la Luz

Absorción de la Luz

¿Cómo se forma un espectro electromagnético?

Cuando un átomo “cae” desde un

estado de energía superior a otro de menor energía, la pérdida de ésta se emite en forma de

radiación cuya energía es la misma que separa ambos

niveles energéticos.

Usando la luz en el análisis químico

La Química emplea algunas fuentes de luz para llevar a cabo análisis de la materia:• La espectroscopia Infra-rojo: para determinar grupos

funcionales en las moléculas orgánicas. La luz IR hace las hace vibrar a frecuencias especificas permitiendo identificarlas

• La espectroscopia Ultra-violeta/Visible: para identificar cuanta especie colorante hay en un sólido o disolución

• La espectroscopia de Rayos-X: para identificar los elementos que se encuentran en la superficie de un sólido

• La espectroscopia Raman: para identificar como están dispuestos en el espacio los elementos de un compuesto

Técnicas espectroscópicas de absorción

La técnica RamanPrincipio físico: un fotón proporciona energía a un electrón parasubir de nivel (virtual), la vuelta a niveles fundamentales da lugara una diferencia de energía propia de niveles vibracionales(estructurales) de cada tipo de enlace

La Espectroscopia Raman

La técnica Raman

VenkataRaman

(1988-1970)

El efecto Raman fue descubierto por VenkataRaman en 1928. Lo que le valió el PremioNobel de Física en 1930 y siendo descrito comouno de los cuatro descubrimientos de la físicadel siglo

A pesar de presentar muchas ventajas respectoa la espectroscopia infrarroja, su aplicación enel estudio de obras de arte no tuvo lugar hastala construcción del primer MOLE (MolecularOptical Laser Examiner) en 1975. Éste permitióla determinación de la composición delpigmento de un manuscrito

La técnica Raman

La Espectroscopia Raman

La fluorescencia Raman

La Espectroscopia Raman

Espectros: ¿que información obtenemos?

La Espectroscopia Raman

Espectros: ¿que información obtenemos?

La Espectroscopia Raman

La técnica Raman

Configuración de un espectrómetro Raman

El láser incide en la muestra y la luz dispersada se recoge en el detector

Fuentes–láser continuo

•Ar+ -488nme 514,5nm•Kr+-647,1nm•He-Ne -632,8nm•colorantes -variables

Posición de la muestra (óptica)–90º o 180º

Monocromador–Resolución (controlada por rendijas mecánicas)

Detector–Fotomultiplicador–CCD

La Espectroscopia Raman

Aparatos dispersivos ⇒necesita calibrado (Si, CCl4)Intensidad de la señal depende de:

–alineamiento óptico–potencia del láser–apertura de las rendijas

Técnicas especialesRaman de ResonanciaNo requiere equipamiento adicional. Tiene lugar cuando la energíadel haz coincide con una transición electrónica del sistema enestudioEn este caso las bandas se amplifican por un fact5or de 103 a 105.

SERS -Surface Enhanced Raman SpectroscopyEn 1974 se descubre que las moléculas adsorbidas en una superficierugosa daban señales Raman muy intensas.Aunque la teoría no esta todavía clara, se emplea mucho en elestudio de especies que presentan fluorescencia Raman

La Espectroscopia Raman

Dispersivo micro-Raman

Espectrómetros Raman

FT-Raman

La Espectroscopia Raman

Espectrómetros Ramanportátiles

La Espectroscopia Raman

Espectroscopia Raman por fibra óptica

La espectroscopia Raman se aplica con éxito para el diagnóstico de objetoshistóricos y obras de arte. Es un método rápido, no destructivo, sin contacto y sinrecubrimientos. Es una herramienta práctica para la identificación molecular delas muestras aun cuando su concentración es muy baja. Permite la identificaciónde moléculas diferentes al mismo tiempo

Sistema desarrollado por el grupo de arqueometria del ICMUV y Chylas SL.:Láseres 785, 532, 405nm. Cabezales móviles de larga distancia

Ventajas de la técnica

Análisis in situ (aparatos portátiles)Análisis sin toma de muestraAnálisis no destructivosDeterminación de estructurasIdentificación de compuestosPermite medir disoluciones, muestras giroscópicas,corrosivas.Tiene una resolución espacial de ~1 µm

Limitaciones de la técnicaAlgunas muestras presentan fluorescencia (SERS, FT-Raman, irradiaron larga)Difícil medir muestra coloreadas que absorben en elmismo color que el láser (láser variable)

La Espectroscopia Raman

Análisis con Espectroscopia

Raman

Ejemplos

Es posible identificar la estructura de cualquier material inorgánico sin

ningún tratamiento previo de la muestra.

Ej: analisis de minerales, cerámicas,..

Análisis de minerales

Las Bíblias de Gutemberg

Se ha establecido la paleta de colores

empleados:

cinnabar/vermilion, azurite, calcite (chalk), basic lead carbonate,

lead tin yellow, malachite, carbon-based black, gold

leaf, an organic red pigment, red and yellow

ochres, indigo..

Que permiten hacer una base de datos para

futuras catalogaciones

Análisis de manuscritos

Procedencia de Porcelanas Europeas

El análisis Raman de las pastas cerámicas

y de los vidriados permiten establecer la composición y la

tecnología de obtención de

diferentes porcelanas

El las porcelanas duras se observa

Mullite (M), mientras que las mas blandas

solo presentan β-wollastonita (W) y

fosfato de calcio (P)

Análisis de porcelanas

Identificación de Porcelanas Vietnamitas

El análisis Raman permite diferenciar entre una porcelana

antigua y una moderna

Análisis de porcelanas

Capilla Medieval de Ponthoz (Belgium)

Degradación del color azul por formación de

clinoatacamita

Análisis de pigmentos en frescos

P. Vandenabeele et al Anal. Chim. Acta 407, 261 (2000)

albumin

casein

gelatin

isinglassfishglue

Excitation : 780 nm (Renishaw 1000)

Análisis de aglutinantes y barnices

Lead-tin yellow

Beeswax

P. Vandenabeele et al Anal. Chim. Acta 407, 261 (2000)

Medieval manuscript (15th century)

Spectra from

manuscript

Análisis de aglutinantes y barnices

Pictures of some studied red gemstones.

Pictures and micro-Raman spectra collected with both 785- and 473-nm lines on gems

(a)R4 (b)R10

identified as corundum, as examples.

Pictures and micro-Raman spectra collected with both 785- and 473-nm lines on red gems identified as ruby simulants, as

examples. Natural simulants: (a) R1, garnet; (b) R14, tourmaline.

Artificial simulant: (c) R10, glass. Composite gem: (d) R15, doublet

Espectroscopia Raman: Aplicación al estudio

del Vidrio

El estado de los vidrios

sV-Panel 3a, una densa capa de residuos cubre la cara interior de los vidrios, reduciendo su

transparencia

Pitting

Rayado

Oxidacion

Costras

Degradación del vidrio

Grisalla:vidrio+hierro+plomo

Costra:Carbonatos,

Sulfatos, aglutinantes

El estado de los vidrios

Grisalla: vidrio+hierro+plomo

Costra: Carbonatos,

Sulfatos, aglutinantes

Análisis no destructivo de la superficie del vidrio: espectroscopia Raman

Crust in Weathered Glass

Espectros Raman registrados sobre la superficie del vidrio (rojo). Los componentes se han identificado por comparación con la

base de datos Renishaw

Grisalla: Fe2O3Costra: CaCO3

Análisis no destructivo de la superficie del vidrio: espectroscopia Raman

Espectros Raman Confocal, desde la superficie hacia el interior

Análisis no destructivo de la superficie del vidrio: espectroscopia Raman

Punto de enfoque inicial

(superficie)

Punto de enfoque final (cuerpo del

vidrio)

Análisis No-Destructivo de Vidrieras medianteEspectroscopia Micro-Raman

GrisallaCostra

1800 1600 1400 1200 1000 800 600 400 200

2m

Fe2O3CaCO3

Raman wavenumber (cm-1)

Surface(z= 0 m)

Bulk

(z= 16 m)

Confocal

Grisalla (Fe2O3)

Espectroscopia Micro-RamanMapping sobre una superficie

Costra (CaCO3)

Espectroscopia Micro-RamanMapping sobre una superficie

Fe2O3

CaCO3

Costra (CaCO3) y Grisalla (Fe2O3)

Espectroscopia Micro-RamanMapping sobre una superficie

Grisalla: Fe2O3Costra: CaCO3

Espectroscopia Micro-RamanMapping sobre una superficie

Espectroscopia Micro-RamanMapping sobre un area

Fe2O3 (292 cm-1)

34m

CaCO3 (1085 cm-1)

34m

Espectroscopia Micro-RamanMapping

Raman Mapping

Sobre

una linea

Mapas 3D de la

costra

Costra: CaCO3

Grisalla: Fe2O3

Análisis no destructivo mediante Espectroscopia Raman

Mapping and Confocal Micro-Raman Spectroscopy: Non-Invasive Analysis of Weathered Stained Glass Windows. S. Murcia-Mascarós*, C. Domingo, A. Muñoz-Ruiz, S. Sánchez-Cortés

y J. V. García-Ramos. En “34th International Symposium on Archaeometry. Ed. Institución «Fernando el Católico» Zaragoza, 2006. Nº 2.621. e-version ISBN 84-7820-848-8. p. 525-530

Espectroscopia Raman: Aplicación al estudio

De Arte Rupestre

Manifestaciones artísticas sobre soportes pétreos degrandes dimensiones en entornos abiertos y agresivos

Factores de deterioro que llevan asociada degradación mecánica y alteración química y biológica:

antrópicos (uso, reutilización,…) geo-ambientales (geología, clima, biota, …)

Lugares de difícil acceso

Dificultades para realizar análisis físico-químicos in situ

Las pinturas rupestres de Valltorta-Gassulla

Pigmentos negros

Cova Remigia

Abrigo de La Saltadora

Abrigo de Les Dogues

Negro de manganeso Negro de carbón

Negro de carbón

Preliminary analysis of Palaeolithic black pigments in plaquettes from the Parpalló cave (Gandía, Spain) carried out by means of non-destructive technique. C.

Roldán, V. Villaverde, I. Ródenas, F. Novelli, S. MurciaJournal of Archaeological Science, 2013 (40) 744-754.

An approximation to the study of black pigments in Cova Remigia (Castellón, Spain). Technical and cultural assessments of the use of carbon-based black pigments in Spanish Levantine Rock Art. E. López-Montalvo, V. Villaverde, C. Roldán, S. Murcia, E. Badal . Journal of Archaeological Science 52 (2014) 535–545.

Les DoguesMedidas de espectroscopia Raman en micromuestras soportadas

The use of carbon-based black pigments in Spanish Levantine Rock Art: Cova Les Dogues (Castellón, Spain). E. López-Montalvo, V. Villaverde, C. Roldán, S. Murcia, E. Badal

PLOS ONE 52 (in progress)

La simbología de los Neandertales La presencia de materia colorante adherida y las perforaciones intencionadas en las conchas marinas tienen implicacionessimbólicas de un uso ornamental entre los neandertales. Los hallazgos apoyan que entre los neandertales se desarrollaronmodelos de comportamiento social que convivieron con los de los modernos homínidos.

Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America (PNAS) 19, 2010,1023-1028.

Cueva de los Aviones (Murcia)

Cueva Antón (Murcia)

Año 50.000 a.C.

La simbología de los Neandertales