La espectroscopía de rayos X informa sobre la composición elemental, el estado químico y las propiedades físicas de materiales inorgánicos y sistemas biológicos. Variar la energía de la luz sincrotrón de forma continua se asemeja a “sintonizar” un radio de manera continua. Sintonizando la energía de los haces de luz sincrotrón se obtienen los espectros de la absorción, la reflectividad o la fluorescencia de la muestra para un intervalo de energías dado. En la región de los rayos X, todos los elementos químicos absorben fuertemente los fotones en ciertas energías (llamadas “bordes de absorción”) que son características de esa especie atómica. Haciendo incidir los rayos X sobre un material se provoca la emisión de rayos X propios de los elementos que forman ese material, y su detección se llama fluorescencia de rayos X (XRF). Cuando se varía la energía del rayo X incidente en la zona del borde de absorción se excitan efectos parecidos a los que ocurren al provocar ondas concéntricas con una piedra en un estanque de agua. Esta técnica se denomina espectroscopía de estructura fina de la absorción de rayos X (XAFS). Los científicos utilizan rayos X, infrarrojos, rayos ultravioletas y luz visible para revelar diferentes características de las muestras. A continuación, presentamos varios ejemplos de la aplicación de la espectroscopía de luz sincrotrón en diversos campos de la ciencia y la cultura.

Se consideran nanopartículas (NP) a las partículas de 100 nm o menos. Las NP se utilizan en medicina, electrónica, catálisis, cosméticos y productos farmacéuticos. Las NP tienen propiedades físicas y químicas dadas no solo por su composición, sino que influye también su morfología. El tamaño, la forma, la pureza y la reactividad química de las NP determinan su destino y efectos en el ambiente y los organismos vivos. Las NP de dióxido de cerio CeO2 (NP-Ce) se aplican en catalizadores, agentes de pulido, aditivos de combustible y microelectrónica.

Se realizó un estudio del efecto de suspensiones de NP-Ce en la germinación y crecimiento de las raíces de semillas de alfalfa, maíz, pepino y tomate mediante XAFS en la línea 7–3 del sincrotrón de la Universidad de Stanford (Stanford Synchrotron Radiation Lightsource, SSRL), California, Estados Unidos [4]. Los resultados mostraron que a partir de concentraciones dadas de NP-Ce se redujo significativamente tasa de germinación del maíz, tomate y pepino. El crecimiento de las raíces aumentó en pepino y maíz, pero se redujo en alfalfa y tomate. Casi siempre las NP-Ce promovieron el alargamiento de los brotes en las cuatro especies de plantas. Los datos de XAFS comprobaron la presencia de NP-Ce dentro de los tejidos de las cuatro especies de plantas. La figura 5 muestra los espectros de XAFS del borde de absorción llamado L3 del cerio en la zona cercana la energía del borde (o zona XANES) para las nanopartículas y las raíces de las plantas estudiadas bajo la influencia de las NP-Ce.

Figura 5. De arriba hacia abajo: Espectros XANES del borde de absorción L3 del Ce para las nanopartículas (NP) de CeO2 y las raíces sometidas a la presencia de NP-Ce de pepino, alfalfa, tomate y maíz, respectivamente [4]. Figura reproducida con permiso de “López-Moreno, M. L., de la Rosa G., et al., X-ray Absorption Spectroscopy (XAS) Corroboration of the Uptake and Storage of CeO2 Nanoparticles and Assessment of Their Differential Toxicity in Four Edible Plant Species. J. Agric. Food. Chem. 2010, 58 (6), 3689-3693. Copyright 2010 American Chemical Society”.

En el sincrotrón ESRF de Grenoble se desarrollan sistemáticamente investigaciones de la contaminación por elementos tóxicos y sus posibles efectos en la salud. Un ejemplo es el mapeo con haces microscópicos de luz sincrotrón por nano-fluorescencia de rayos X (ν-XRF) y microscopía de la Transformada de Fourier de luz infrarroja (μ-FTIR) para analizar el destino y los efectos de los pigmentos del tatuaje en la piel humana [5]. El mapeo μ-XRF identificó y localizó elementos químicos tóxicos de las partículas de tatuaje en secciones de piel y en tejido de ganglios linfáticos. Se pudo comprobar que los elementos como fósforo (P), cloro (Cl), bromo (Br) y titanio (Ti) se localizan en la dermis de la persona donante y que viajan hasta los ganglios linfáticos. La figura 6 presenta una secuencia de imágenes de microscopía de luz visible, de luz fluorescente visible y de m-XRF de la piel y ganglios del trabajo [5].  

Figura 6. (a) Imágenes de microscopía de luz visible (VLM) del área mapeada por μ-XRF [5]. Los pigmentos del tatuaje están indicados por una flecha roja. (b) Tinte de secciones adyacentes que muestran los núcleos celulares. (c) Mapas μ-XRF de P, Ti, Cl y / o Br. Para el ganglio linfático, las áreas de tamaño similar están marcadas en (a) y (b). (d) Espectros de μ-XRF promedio sobre el área completa mostrada en (c). (e) Espectros μ-XANES del borde de absorción K del Ti de piel y ganglios linfáticos en comparación con espectros XANES de transmisión de material de referencia de rutilo, anatasa y un cálculo de mezcla de rutilo / anatasa en proporciones 80/20.