La espectroscopia aplicada es la aplicación de varios métodos espectroscópicos para la detección e identificación de diferentes elementos o compuestos para resolver problemas en campos como la ciencia forense , la medicina , la industria petrolera , la química atmosférica y la farmacología .
Un método espectroscópico común para el análisis es la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR), en la que los enlaces químicos se pueden detectar a través de sus frecuencias o longitudes de onda de absorción infrarrojas características. Estas características de absorción hacen que los analizadores infrarrojos sean una herramienta invaluable en geociencia, ciencia ambiental y ciencia atmosférica. Por ejemplo, el monitoreo de gases atmosféricos se ha visto facilitado por el desarrollo de analizadores de gases disponibles comercialmente que pueden distinguir entre dióxido de carbono, metano, monóxido de carbono, oxígeno y óxido nítrico.
La espectroscopia ultravioleta (UV) se utiliza cuando una sustancia absorbe intensamente la radiación ultravioleta . Dichos grupos se conocen como cromóforos e incluyen grupos aromáticos , sistemas conjugados de enlaces, grupos carbonilo , etc. La espectroscopia de resonancia magnética nuclear detecta átomos de hidrógeno en entornos específicos y complementa tanto la espectroscopia infrarroja (IR) como la espectroscopia ultravioleta. El uso de la espectroscopia Raman está aumentando para aplicaciones más especializadas.
También existen métodos derivados como la microscopía infrarroja , que permite analizar zonas muy pequeñas en un microscopio óptico .
Un método de análisis elemental que es importante en el análisis forense es la espectroscopia de rayos X por dispersión de energía (EDX) realizada en el microscopio electrónico de barrido ambiental (ESEM). El método implica el análisis de los rayos X retrodispersados de la muestra como resultado de la interacción con el haz de electrones. La EDX automatizada también se utiliza en una variedad de técnicas de mineralogía automatizadas para la identificación y el mapeo de texturas.
En los tres métodos espectroscópicos, la muestra generalmente debe estar presente en solución, lo que puede presentar problemas durante el examen forense porque implica necesariamente tomar una muestra de sólido del objeto a examinar.
En FTIR, se pueden analizar tres tipos de muestras: solución ( KBr ), polvo o película. Una película sólida es el tipo de muestra más fácil y sencillo de analizar.
Se pueden seguir muchos mecanismos de degradación de polímeros mediante espectroscopia IR, como la degradación y oxidación UV , entre muchos otros modos de falla.
Muchos polímeros son atacados por la radiación UV en puntos vulnerables en sus estructuras de cadena. Por lo tanto, el polipropileno sufre un agrietamiento severo con la luz solar a menos que se agreguen antioxidantes . El punto de ataque ocurre en el átomo de carbono terciario presente en cada unidad repetida, causando oxidación y finalmente la rotura de la cadena. El polietileno también es susceptible a la degradación UV, especialmente aquellas variantes que son polímeros ramificados como el polietileno de baja densidad . Los puntos de ramificación son átomos de carbono terciarios, por lo que la degradación del polímero comienza allí y da como resultado la escisión de la cadena y la fragilización. En el ejemplo que se muestra a la izquierda, los grupos carbonilo se detectaron fácilmente mediante espectroscopia IR de una película delgada fundida. El producto era un cono de carretera que se había agrietado en servicio, y muchos conos similares también fallaron porque no se había utilizado un aditivo anti-UV.
Los polímeros son susceptibles al ataque del oxígeno atmosférico , especialmente a las elevadas temperaturas que se dan durante el procesamiento para darles forma. Muchos métodos de procesamiento, como la extrusión y el moldeo por inyección, implican bombear polímero fundido a las herramientas, y las altas temperaturas necesarias para la fusión pueden provocar oxidación a menos que se tomen precauciones. Por ejemplo, una muleta de antebrazo se rompió de repente y el usuario resultó gravemente herido en la caída resultante. La muleta se había fracturado a través de un inserto de polipropileno dentro del tubo de aluminio del dispositivo, y la espectroscopia IR del material mostró que se había oxidado, posiblemente como resultado de un moldeado deficiente.
La oxidación suele ser relativamente fácil de detectar, debido a la fuerte absorción del grupo carbonilo en el espectro de las poliolefinas . El polipropileno tiene un espectro relativamente simple, con pocos picos en la posición carbonilo (como el polietileno). La oxidación tiende a comenzar en los átomos de carbono terciarios porque los radicales libres aquí son más estables, por lo que duran más y son atacados por el oxígeno. El grupo carbonilo puede oxidarse aún más para romper la cadena, debilitando así el material al reducir el peso molecular , y comienzan a crecer grietas en las regiones afectadas.
La reacción que ocurre entre los dobles enlaces y el ozono se conoce como ozonólisis cuando una molécula del gas reacciona con el doble enlace:
El resultado inmediato es la formación de un ozónido , que luego se descompone rápidamente de modo que se rompe el doble enlace. Este es el paso crítico en la rotura de la cadena cuando se atacan los polímeros. La resistencia de los polímeros depende del peso molecular de la cadena o del grado de polimerización : cuanto mayor sea la longitud de la cadena, mayor será la resistencia mecánica (como la resistencia a la tracción ). Al romper la cadena, el peso molecular cae rápidamente y llega un punto en el que tiene poca resistencia y se forma una grieta. Se produce un ataque adicional en las superficies de la grieta recién expuestas y la grieta crece de manera constante hasta que completa un circuito y el producto se separa o falla. En el caso de un sello o un tubo, la falla ocurre cuando se penetra la pared del dispositivo.
Los grupos carbonilos finales que se forman son normalmente aldehídos o cetonas , que pueden oxidarse aún más para formar ácidos carboxílicos . El resultado neto es una alta concentración de oxígeno elemental en las superficies de las grietas, que se puede detectar mediante EDX en el ESEM. Por ejemplo, se obtuvieron dos espectros EDX durante una investigación sobre el agrietamiento por ozono de los sellos de diafragma en una fábrica de fabricación de semiconductores. El espectro EDX de la superficie de la grieta muestra el pico de alto contenido de oxígeno en comparación con un pico de azufre constante . Por el contrario, el espectro EDX del espectro de la superficie del elastómero no afectado muestra un pico de oxígeno relativamente bajo en comparación con el pico de azufre.