Espectroscopia fotoacústica de moléculas ligeras en el infrarrojo.

Abstract

El efecto fotoacústico descubierto en 1880 por Alexander Graham Bell, se basa en la conversión de luz en energía térmica al incidir ésta sobre una muestra. Algunas de las aplicaciones en gases abarcan la detección de contaminantes en la atmosfera, la detección de elementos para la maduración en fruticultura, o la detección de componentes volátiles orgánicos. En particular, la detección y análisis de metabolitos en el aliento humano tienen un área de creciente desarrollo en la medicina. Estas técnicas de detección, operan en el rango espectral del infrarrojo medio (1 micra a 10 micras), en donde una gran cantidad de moléculas exhiben fuertes líneas de absorción correspondientes a sus transiciones rotacionales de vibración fundamentales. Las moléculas de estudio iniciales son el CO2 y sus isótopos estables, y la acetona. Estas dos moléculas tienen un amplio espectro de usos en el diagnóstico médico. El láser con el que contamos fue construido en la UNAM entrega toda su energía de salida, por dominancia cuántica en el proceso de emisión estimulada a uno solo de los niveles de transición, dando entonces luz coherente con características muy superiores en sus posibilidades experimentales, en contraste con cualquier otro tipo de fuente luminosa, éste es un láser de CO2 de fabricación local construido en la UNAM (diseñado por el grupo del Dr. K. Evenson del NIST, a partir de los planos y diseño otorgados al Dr. Virgilio Beltrán del ICN) la potencia que puede alcanzar es de hasta 15 W . La luz emitida es monocromática y en longitud de onda se localiza entre 9.5 y 11.5 micrómetros que es una región adecuada para excitar rotacional y vibracionalmente una gran variedad de moléculas. En el laboratorio contamos con un espectrómetro que opera en el infrarojo medio utilizando la técnica de espectroscopia fotoacústica, este espectrómetro utiliza la luz del láser de CO2 y cavidades ópticas en el rango del infrarrojo medio (MIR, 1 micra a 10 micras), en el laboratorio hemos podido desarrollar el experimento hasta el punto en el que pode podemos detectar trazas de alcohol metílico, cuantificar dichas trazas será un reto importantes en el desarrollo de estos experimentos, extender estos resultados a otras muestras, nos permitirá monitorear procesos biológicos, contaminantes y médicos. El aspecto interdisciplinario de la física experimental que estamos presentando, es ahora una de las grandes prioridades y nos permite ofrecer un proyecto original y con impactos en la formación de alumnos de Física, Biología y Física Biomédica de la Facultad de Ciencias, UNAM, para disponer en un futuro de personal científico y técnico en física médica y/o biotecnología.

El láser con el que contamos, ha sido constuido en la UNAM (diseñado por el grupo del Dr. K. Evenson del NIST, a partir de los planos y diseño otorgados al Dr. Virgilio Beltrán del ICN) entrega toda su energía de salida, por dominancia cuántica en el proceso de emisión estimulada, a uno solo de los niveles de transición, dando entonces luz coherente con características muy superiores en sus posibilidades experimentales, en contraste con cualquier otro tipo de fuente luminosa.

Dicho sistema láser puede sintonizar una por una las líneas de emisión del CO2, de esta manera, podemos contemplar el calentamiento fotoacústico, pero ahora inscrito dentro del esquema de la Química Cuántica, lo cual hace factible poner a prueba experimental el interesante y complejo proceso de la cinética químico-cuántica de las especies atómicas, o moleculares presentes. Para dar un ejemplo: puede pensarse en la presencia dos clases de trazas de la misma molécula. Con la primera clase, uno de sus componentes atómicos será isotópicamente distinto al de una segunda clase (digamos: CO2, con carbono 13, y CO2 con carbono 14). Pues bien, con una línea láser sintonizada a su absorción resonante con el elemento isotópico de la primera clase obtendríamos una onda fotoacústica, pero con el otro isótopo no, gracias a la sintonía fina que distingue la separación de niveles por la diferencia nuclear de cada isótopo. De este modo podemos sintonizar el láser al isótopo menos común (por decir), y con la gran intensidad disponible lograr el efecto fotocústico (o aún ionizarlo) para su detección (o su separación químicamente inmediata si resulta ionizado); ofreciendo una detección muy sensible (o su producción 100% pura, si es ionizado) que sería casi imposible y mucho menos eficiente con otras fuentes IR, o por medios como puede ser la centrifugación.