Co łączy alkomat, odkrycie Mgławicy Oriona i rezonans magnetyczny? Wydawałoby się, że hasła te nie mają ze sobą wiele wspólnego. A jednak… Wszystkie one mają do czynienia ze spektroskopią, która mierzy oddziaływanie światła (nie tylko tego widzialnego) z materią, rozumianą jako zbiorowisko atomów i cząsteczek.

Żeby lepiej zrozumieć jak działa ta metoda, przyjrzyjmy się najprostszemu spektroskopowi pryzmatycznemu. Wyglądem przypomina małą lunetę, w której, po przyłożeniu do oka w jasnym pomieszczeniu, ukażą się wszystkie kolory tęczy. Dzieje się tak dlatego, że główną częścią spektroskopu jest element rozpraszający światło. Tę rolę może spełniać zarówno pryzmat jak i siatka dyfrakcyjna. Gdybyśmy zaś przez spektroskop obserwowali jeden z neonów wiszących przy przydrożnych barach, zaobserwowalibyśmy tęczę nieco poszarpaną, składającą się tylko z pojedynczych kolorowych prążków. To co widzimy, to widmo emisyjne, różne dla każdego pierwiastka. Każdy pierwiastek i związek chemiczny świeci inaczej!

Ta z pozoru mało zaawansowana metoda pozwala dzisiaj dzieciom cieszyć się wysoko unoszącymi się, kolorowymi balonami na festynach. Wypełniający je hel został odkryty przy badaniu spektroskopowym widma słonecznego – badaczom ukazał się prążek, który nie odpowiadał żadnemu z dotychczas znanych pierwiastków.

Jednak trudno mówić o spektroskopii jako o jednej, konkretnej metodzie. Jest to dział, który dotyczy wszystkich możliwych sposobów oddziaływania promieniowania elektromagnetycznego, np. fal radiowych, podczerwieni, z materią. Promieniowanie elektromagnetyczne różni się długością fal, dlatego konieczne jest stosowanie różnej aparatury pomiarowej. Spektroskopia wykorzystująca promieniowanie elektromagnetyczne z różnych zakresów energii dostarcza zupełnie innych informacji o badanej materii.

Na zdjęciu spektroskop AMS, dostarczony na Międzynarodową Stacje Kosmiczną przez NASA w 2011. Jego główne zadanie to badanie dziejów Wszechświata.

Podczerwień na tropie związków chemicznych

Jednym z typów spektroskopii jest spektroskopia w podczerwieni (IR, ang. infrared spectroscopy) wykorzystywana przede wszystkim w analizie jakościowej związków. Promieniowanie podczerwone to fale z zakresu pomiędzy światłem widzialnym a falami radiowymi. Każde ciało o temperaturze większej od zera absolutnego, czyli powyżej -273,15°C, emituje ten typ promieniowania.

Aby uzyskać stałe źródło promieniowania podczerwonego podgrzewa się np. pręt ceramiczny do temperatury powyżej 1000°C(!). Tak wytworzony strumień świetlny przechodzi następnie przez system zwierciadeł, który dzieli go na dwie wiązki. Jedna z nich skierowana jest na badaną próbkę, a druga, w celu kalibracji, na próbkę kontrolną (np. rozpuszczalnik). W temperaturze powyżej zera absolutnego atomy w cząsteczkach drgają. Jeśli częstotliwość promieniowania padającego na próbkę będzie analogiczna do częstotliwości z jaką drgają atomy, promieniowanie zostanie przez cząsteczkę pochłonięte. To z kolei zwiększy zakres drgań cząsteczki.

W uproszczeniu, wiązania można sobie wyobrazić jako drgające sprężyny – dopiero gdy dostarczymy im energii o odpowiedniej wartości, sprężyna pochłonie ją i będzie drgać intensywniej. W fizyce zjawisko to nazywa się rezonansem. Ponieważ różne wiązania charakteryzują się specyficznymi energiami drgań, spektroskopia IR pozwala na ustalenie znajdujących się w badanym związku grup funkcyjnych, które stanowią podstawę klasyfikacji związków. Porównując otrzymane widma z dostępnymi bazami danych możliwa jest identyfikacja związków chemicznych. Ta metoda używana jest we wcześniej już wspomnianych alkomatach stacjonarnych wykorzystywanych w komisariatach i sądach. Coraz popularniejsze stają się też mobilne urządzenia wykorzystujące spektroskopię IR, dzięki którym policjanci są w stanie przebadać nawet pięciu kierowców na minutę.

Spektroskopia wykorzystywana jest przy badaniu dzieł sztuki, wykrywaniu metali ciężkich w wodzie pitnej, czy do identyfikowania złożonych struktur w kosmosie. Na podstawie spektroskopii IR, w 2014 roku, NASA opublikowała bazę danych dotyczącą wielopierścieniowych węglowodorów aromatycznych (ang. PAH), związków które być może miały istotny wpływ na powstanie życia.

Spektroskopia na co dzień

Spektroskopia wykorzystywana jest prawie w każdej dziedzinie i wciąż jest udoskonalana. Są już np. spektrometry wyposażone w elektromechaniczny mikroukład (MEMS), który jest tak mały, że bez problemu spektrometr można przenosić. Dzięki temu możliwe jest np. badanie jakości gleby bez konieczności oznaczania próbek i oczekiwana na wyniki w laboratorium. Zaletą wynalazku jest również jego pięciokrotnie niższa cena produkcji.

Trwają badania nad zmniejszeniem spektrometru IR do takiego stopnia, aby zmieścił się w obudowie przeciętnego smartfona. Podręczne spektrometry przydadzą nam się do oceny jakości kupowanych produktów. W zamyśle autorów telefon ma dostarczać informacji na temat tego, czy wybrane przez nas w sklepie jabłko jest słodkie, mięso świeże, a czekolada zawiera rzeczywiście tyle procent kakao ile przedstawiono na opakowaniu. Umożliwi to szybkie badanie składu i porównanie go z rozległą bazą danych. W zamyśle konstruktorów jest ciągłe rozbudowywanie bazy i umożliwienie użytkownikom skanowania każdego rodzaju materiału, nawet identyfikacja składu leków.

Czy spektroskopia zaskoczy nas czymś jeszcze?

-------------------------------