Tema 4. Aplicaciones y criterios de uso de la espectroscopia de absorción molecular: Espectroscopia IR B El instrumento tipo: parámetros de interés y calibración.- Descripción de aplicaciones frecuentes.- Uso de la espectroscopia IR como sistema de detección en otras técnicas instrumentales 1
Regiones del espectro 2
3 1 Aplicaciones de la 0 espectrometria en el infrarrojo Tres categorías de aplicación: Infrarrojo medio: La región más utilizada 670-4.000 cm -1 (14,9 y 2,5 µm) Para análisis cualitativos y cuantitativos, se emplean los espectros de absorción, reflexión y emisión. Infrarrojo cercano 4.000-14.000 cm -1 (2,5 y 0,75 µm) determinación cuantitativa de rutina de agua, dióxido de carbono, azufre, hidrocarburos de bajo peso molecular, nitrógeno amínico, y muchos otros compuestos sencillos que tienen interés en agricultura y en industria Estas determinaciones se basan, con frecuencia, en medidas de la reflectancia difusa de muestras sólidas o liquidas sin tratamiento previo Infrarrojo lejano Determinación de estructuras de especies inorgánicas y organometálicas que utilizan medidas de absorción 3
Principales aplicaciones de la espectrometría en el infrarrojo 4
Espectrometría de absorción en el infrarrojo medio La espectrometría de absorción y reflexión en el infrarrojo medio es la principal herramienta para la determinación estructural de especies organicas y bioquimicas En este tema se examinarán las aplicaciones de la absorción y reflectancia en el infrarrojo medio 5
Manipulación de la muestra En UV-vis En IR los espectros se obtienen a partir de disoluciones diluidas del analito Para que las medidas de absorbancia estén dentro del intervalo óptimo se ajusta la concentración, o el espesor de la cubeta no existen buenos disolventes transparentes en toda la región espectral de interés la manipulación de la muestra es crítica y requiere mucho tiempo 6
Gases El espectro de un liquido de bajo punto de ebullición o de un gas permitiendo a la muestra que se expanda en una cubeta cilíndrica en la que se ha hecho el vacío, equipada con las ventanas adecuadas cubetas cilíndricas con caminos ópticos entre pocos centímetros y 10 o más metros Los caminos ópticos más largos se obtienen en cubetas compactas provistas de superficies internas reflectantes el haz pasa numerosas veces por la muestra antes de salir de la cubeta 7
Disoluciones Lo más habitual Con una cantidad conocida de la muestra Limitaciones en cuanto a sus aplicaciones baja disponibilidad de disolventes transparentes en las regiones del IR en las que se trabaja 8
Disolventes No existe un solo disolvente que transparente en toda la región del infrarrojo medio El agua y los alcoholes se utilizan poco absorben intensamente atacan a los haluros de metales alcalinos materiales más habituales utilizados en las ventanas de las cubetas Es necesario poner cuidado en secar los disolventes Disolventes más comunes utilizados en los estudios espectroscópicos en el IR de compuestos orgánicos las líneas horizontales indican las regiones útiles 9
Cubetas Debido a la tendencia de los disolventes a absorber radiación las cubetas suelen ser mucho mas estrechas (0,1 a 1 mm) que en UV-vis Los caminos ópticos en el IR requieren, por lo común, concentraciones de muestra de 0,1 a 10 por 100 Con frecuencia, las cubetas son desmontables, con espaciadores de Teflon que permiten variar la longitud del camino óptico Las cubetas de camino óptico fijo se pueden llenar o vaciar con una jeringa hipodérmica Las ventanas Las más utilizadas son de NaCl se deterioran debido a la absorción de humedad Se limpian con un polvo abrasivo 10
Espesor de las cubetas (b) El haz de referencia pasa al monocromador sin encontrar ningún impedimento: El modelo de máximos y mínimos regulares constituye un frente de interferencias Registro de la señal obtenida al colocar una cubeta vacía en la trayectoria del haz de la muestra Máximos se producen cuando la radiación que se refleja en las caras internas de la cubeta ha viajado una distancia igual a un múltiplo entero N de longitudes de onda de la radiación que se transmite sin reflexión Siempre que la longitud de onda sea igual a 2b/N tendrá lugar una interferencia constructiva permite predecir los ángulos se refleja porque el material tiene estructura atómica periódica materiales cristalinos 11
Espesor de las cubetas-2 Se cuenta el numero de picos de interferencia N aparecen entre dos longitudes de onda determinadas λ 1 y λ 2 : 12
Espesor de las cubetas El frente de interferencia no se suele ver cuando la cubeta se llena con líquido el índice de refracción de la mayoría de los líquidos está próximo al del material de la ventana Se reduce la reflexión de la ecuación: I r /I 0 = [η 2 - η 1 ] 2 /[η 2 +η 1 ] 2 I r intensidad haz reflejado; I 0 intensidad haz incidente; η índices de refracción 13
Espesor de las cubetas Las interferencias aparecen entre 2.800 y 2.000 cm -1 La muestra hoja de poliestireno tiene un índice de refracción distinto al del aire en las dos interfases de la hoja tiene lugar una reflexión significativa La Ecuación se utiliza, a menudo, para calcular el espesor de películas de polímetros delgadas 14
Líquidos Espectros de líquidos puros cuando: La cantidad de muestra es pequeña No se dispone del disolvente apropiado, es habitual obtener los espectros del liquido puro Una gota del liquido puro se presiona entre dos placas de sal gema para obtener una placa con un espesor de 0,01 mm o menor. Las dos placas, que se mantienen unidas por capilaridad, se colocan en la trayectoria del haz No se obtienen datos de transmitancia particularmente reproducibles investigaciones cualitativas Las muestras de líquidos puros pueden contener el agua suficiente para atacar las placas de sal y se hace necesario el pulido periódico de las mismas 15
Sólidos La mayoría de los compuestos orgánicos presentan numerosos picos de absorción en la región del infrarrojo medio Encontrar un disolvente que no de lugar a solapamientos de picos es, con frecuencia imposible A menudo, se obtienen los espectros de dispersiones del sólido en una matriz liquida o solida Generalmente La muestra sólida se debe pulverizar hasta que el tamaño de sus partículas sea menor que la longitud de onda de la radiación Para evitar los efectos de dispersión de la radiación 16
Comprimidos La técnica más popular de manipulación de las muestras sólidas: la formación de comprimidos de KBr u otros haluros de metales alcalinos tienen la propiedad de fluidificarse en frío cuando se presiona suficientemente este material, finamente pulverizado, presenta propiedades transparentes o translucidas como el vidrio 17
Comprimidos Se mezclan a fondo un miligramo o menos de la muestra, finamente pulverizada, con aproximadamente 100 mg de polvo de bromuro de potasio desecado mortero y su pistilo, o en un pequeño molino de bolas Posteriormente se presiona la mezcla en un troquel especial entre 700 y 1.000 kg/cm 2 hasta obtener un disco transparente Se obtienen mejores resultados si el disco se prepara en vacío para eliminar el aire ocluido El disco resultante se coloca en la trayectoria del haz del instrumento para su examen espectroscópico. Los espectros resultantes presentan, a menudo, bandas a 3.450 y 1.640 cm - 1 (2,9 y 6,1 µm) debidas a la humedad absorbida. 18
Comprimidos Para muchos compuestos los comprimidos de KBr producen espectros excelentes que aparecen en las colecciones de espectros Siendo iónico, el KBr transmite a lo largo de la mayor parte de la región del IR hasta una frecuencia de aproximadamente 400 cm -1 El yoduro de cesio absorbe por debajo de 200 cm -1 a veces se utiliza por su mayor transparencia a bajas frecuencias 19
Suspensiones Suspensiones en aceite mineral o un hidrocarburo fluorado Cuando los sólidos no son solubles en un disolvente transparente en la región del IR No es conveniente prepararlos en forma de pastillas de KBr Las suspensiones se preparan moliendo de 2 a 5 mg de la muestra finamente pulverizada (tamaño de partícula <2 µm) en presencia de una o dos gotas de un aceite hidrocarbonado pesado (Nujol) Si es probable que interfieran las bandas del hidrocarburo, se puede sustituir por Fluorolube, un polímero halogenado En cualquiera de los casos, la suspensión resultante se examina luego como una delgada película entre placas planas de sal 20
Análisis cualitativo A finales de los años 50 se inicia el uso generalizado del IR medio para la identificación de compuestos orgánicos aparición de espectrofotómetros dispersivos de doble haz con registro baratos de fácil manejo producían espectros en el intervalo de 5.000 a 670 cm -1 (2 a 15 µm) Sumando la aparición de los espectrómetros de resonancia magnética nuclear y de masas El tiempo necesario para realizar una determinación estructural se redujo en un factor de diez, de cien, e incluso de mil. 21
Análisis Cualitativo Espectros característicos obtenidos con un instrumento dispersivo de doble haz de bajo precio La identificación de un compuesto orgánico a partir de un espectro consta de dos etapas: Determinación de los grupos funcionales examinando la región de frecuencias de grupo desde 3.600 cm -1 a 1.200 cm -1 Comparación con los espectros de compuestos puros que contienen todos los grupos funcionales encontrados en la primera etapa 22
Análisis cualitativo La región de la huella dactilar entre 1.200 cm -1 y 600 cm -1 Pequeñas diferencias en la estructura de una molécula provocan cambios en esta región 23
Frecuencias de grupo La frecuencia aproximada (o el numero de onda) a la que un grupo funcional, como C=O, C=C, C H, C=C, o O H, absorbe radiación en el IR se puede calcular a partir de las masas de los átomos y de la constante de fuerza del enlace entre ellos Se llaman frecuencias de grupo rara vez permanecen invariables interacciones con otras vibraciones asociadas a uno o a los dos átomos que forman el grupo los efectos de dichas interacciones suelen ser pequeños se puede asignar un intervalo de frecuencias dentro del cual es muy probable encontrar el pico de absorción para un grupo funcional determinado 24
frecuencias de grupo para algunos de los grupos funcionales más comunes 25
Frecuencias de grupo La mayoría de las frecuencias de grupo están en el intervalo de 3.600 cm -1 a 1.250 cm -1 otras en la región de la huella dactilar Estas incluyen la vibración de tensión del grupo C O C aproximadamente a1.200 cm -1 vibración de tensión del enlace C Cl entre 700 y 800 cm -1 Los cuatro espectros contienen un pico en el intervalo de 2.900 cm -1 a 3.000 cm -1, corresponde a una vibración de tensión del enlace C H generalmente indica la presencia de uno o mas grupos alcanos. Los dos picos alrededor de 1.375 cm -1 y 1.450 cm -1 Frecuencias de grupo características de los grupos C H resultan de las vibraciones de flexión en la molécula 26
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Frecuencias de grupo En el espectro: frecuencia de grupo para una vibración de tensión del enlace O H alrededor de 3.200 cm -1 frecuencias de grupo de los alcanos 29
Frecuencias de grupo Las frecuencias de grupo y las tablas de correlación: permiten hacer estimaciones sobre que grupos funcionales probables es imposible identificar sin ambigüedad todos los picos presentes en un determinado espectro establecer la identidad exacta de una molécula Sirven como punto de partida para el proceso de identificación 30
Región de la huella dactilar La mayoría de los enlaces sencillos originan bandas de absorción a estas frecuencias como sus energías son aproximadamente iguales se producen interacciones fuertes entre los enlaces vecinos Las bandas de absorción son, por tanto la combinación de estas distintas interacciones y dependen de la estructura del esqueleto completo de la molécula Debido a su complejidad, rara vez es posible la interpretación exacta de los espectros en esta región Esta complejidad es la que conduce a la singularidad y por consiguiente a la utilidad de la region para fines de identificación. 31
Región de la huella dactilar Las dos moléculas difieren solo en un grupo metilo S.e. el aspecto de los espectros difieren notablemente en la región de la huella dactilar algunos grupos inorgánicos sulfato, fosfato, nitrato y carbonato absorben en la región de la huella dactilar (<1.200 cm -1 o >8,3 µm) 32
Limitaciones del uso de las tablas de correlación Con frecuencia surgen incertidumbres superposición de frecuencias de grupo variaciones espectrales dependientes del estado físico de la muestra disolución, una suspensión, una pastilla, etc. limitaciones de los instrumentos. Al emplear las frecuencias de grupo, es esencial que se considere e interrelacione el espectro completo, en vez de una pequeña parte. La interpretación basada en una parte del espectro se debe confirmar o rechazar mediante el estudio en otras regiones Colecciones de espectros Búsquedas por ordenador 33
Espectro IR de la butanona O 34
Espectro IR del ciclobutanol OH 35
Espectro IR del isobutiraldehido H O 36
Aplicaciones cuantitativas Los métodos cuantitativos de absorción en el IR difieren algo de los métodos espectroscópicos moleculares de UV-vis: mayor complejidad de los espectros estrechez de las bandas de absorción limitaciones instrumentales de los equipos Los datos cuantitativos que se obtienen con los instrumentos de IR dispersivos son, por lo general de menor calidad que los que se obtienen con los espectrofotómetros de UV-vis La precisión y exactitud de las medidas con los instrumentos de transformada de Fourier son claramente mejores que con los instrumentos dispersivos Se requieren medidas cuidadosas 37
Desviaciones de la ley de Beer Con la radiación IR, las bandas de absorción son relativamente estrechas las desviaciones instrumentales de la ley de Beer son más comunes que con la radiación UV-vis La baja intensidad de las fuentes y las bajas sensibilidades de los detectores en la región del infrarrojo requieren el uso de anchuras de rendija del monocromador relativamente grandes Por ello, las anchuras de banda que se emplean son, a menudo, del mismo orden de magnitud que la anchura de los picos de absorción Esta combinación de circunstancias conduce por lo general a una relación no lineal entre la absorbancia y la concentración Se requieren curvas de calibración determinadas empíricamente 38
Medida de la absorbancia En las regiones UV-vis se suelen emplear cubetas contrastadas para el disolvente y para la disolución, y así, las medidas de absorbancia se obtienen de la relación El uso del disolvente, en una cubeta contrastada, como absorbente de referencia, tiene la ventaja de anular en gran parte los efectos de la perdida de radiación por reflexión en las distintas interfases por la dispersión y la absorción del disolvente y por la absorción en las ventanas del recipiente 39
Cubetas contrastadas- limitaciones Esta técnica rara vez resulta adecuada para las medidas en la región infrarroja dificultad de obtener cubetas cuyas características de transmisión sean idénticas La mayoría de las cubetas para el infrarrojo tienen caminos ópticos muy cortos que son difíciles de reproducir exactamente Las ventanas de las cubetas son atacadas fácilmente por los contaminantes de la atmósfera y los disolventes sus características de transmisión cambian continuamente con el uso Se prescinde totalmente del absorbente de referencia la intensidad del haz que atraviesa la muestra se compara con la de un haz sin obstáculos. En ambos casos, la transmitancia resultante es, por lo general, menor del 100 por 100, incluso en las regiones del espectro donde la muestra no absorbe 40
Para el trabajo cuantitativo, es necesario corregir los efectos de la radiación dispersada y absorbida por el disolvente y la cubeta. Se utilizan dos métodos: Procedimiento cubeta dentro/cubeta fuera Se obtienen sucesivamente los espectros del disolvente puro y de la disolución del analito con respecto al haz de referencia sin obstáculos. Se utiliza la misma cubeta para ambas disoluciones. Se determina, entonces, la transmitancia de cada disolucion respecto a la del haz de referencia, en un máximo de absorción del analito. Estas transmitancias se pueden escribir como T 0 = P 0 /P r T s = P/P r P r potencia del haz sin obstáculos Si P r se mantiene constante, T = T s /T 0 = P / P 0 41
Método de la línea de base Se supone que la transmitancia del disolvente es constante, o al menos cambia linealmente entre los puntos de mínima absorción que limitan al pico de absorción 42
Aplicaciones características Con la excepción de las moléculas homonucleares, todas las especies moleculares orgánicas e inorgánicas absorben en la región del infrarrojo La espectrofotometría en el infrarrojo ofrece la posibilidad de determinar un numero extraordinariamente grande de sustancias La singularidad del espectro infrarrojo conduce a un grado de especificidad que es igualado o superado por relativamente pocos métodos analíticos Esta especificidad ha encontrado una particular aplicación en el análisis de mezclas de compuestos orgánicos estrechamente relacionados 43
Análisis de una mezcla de hidrocarburos aromáticos Una aplicación característica de la espectroscopia en el IR cuantitativa es resolución de los isómeros C 8 H 10, en una mezcla que incluye o-xileno, m-xileno, p-xileno y etilbenceno Espectros de absorción (12 a 15 µm) en el IR de los componentes individuales, disueltos en ciclohexano 44
Los picos de absorción útiles para la determinación de los componentes individuales aparecen a 13,47; 13,01; 12,58 y 14,36 µm Debido a la proximidad de las bandas la medida de la absorbancia a cada una de estas λ es suma de las distintas especies presentes Por ello, es necesario determinar las ε de cada compuesto en las cuatro λ Medir las absorbancias a cada λ Escribir cuatro ecuaciones que permiten el calculo de la concentración de cada especie a partir de cuatro medidas de absorbancia, con ayuda de un programa adecuado Cuando la relación entre la absorbancia y la concentración no es lineal (como ocurre a menudo en la región del infrarrojo), el tratamiento algebraico asociado a un análisis de varios componentes, cuyos picos de absorción se solapan, es considerablemente más complejo 45
Determinación de contaminantes del aire La reciente proliferación de normas oficiales con respecto a los contaminantes atmosféricos ha hecho necesario el desarrollo de métodos sensibles, rápidos y altamente específicos para una variedad de compuestos químicos Posibilidades de la espectroscopia en el IR para el análisis de mezclas de gases: 46
Determinación de contaminantes en el aire De entre las más de 400 sustancias químicas para las cuales la OSHA (Ocupational Safety and Health Administration, Agencia de Salud y Seguridad Laboral) ha establecido los límites máximos de tolerancia, más de la mitad poseen características de absorción adecuadas para su análisis en el IR Para ello se pueden usar fotómetros de filtros o espectrofotómetros Es evidente que con todos estos compuestos absorbentes hay que esperar un solapamiento entre sus picos aun así, el método proporciona un grado bastante elevado de selectividad. 47
Ejemplos de análisis de gases por IR según la OSHA 48
Inconvenientes y limitaciones de los métodos de infrarrojo cuantitativos La aplicación de los métodos de infrarrojo al análisis cuantitativo tiene varios inconvenientes: Frecuente incumplimiento de la ley de Beer Complejidad de los espectros aumento de la probabilidad de solapamiento de los picos de absorción. Los picos muy agudos y los efectos de la radiación parasita hacen que las medidas de la absorbancia dependan de una forma critica de la anchura de la rendija y del ajuste de la longitud de onda. Las cubetas estrechas, que se requieren para muchos análisis, son poco practicas de utilizar y conducen a importantes incertidumbres analíticas. Por estos motivos, los errores analíticos asociados a un análisis IR cuantitativo, incluso poniendo mucho cuidado y esfuerzo, pocas veces pueden reducirse al nivel asociado con los métodos de UV-vis 49
Espectroscopia de reflexión en el IR medio La espectroscopia de reflexión en el IR ha encontrado diversas aplicaciones, particularmente en el caso de muestras sólidas difíciles de manipular: películas de polímeros fibras, alimentos, gomas, productos agrícolas otros Los espectros de reflexión en el IR medio, no son idénticos a los correspondientes espectros de absorción, pero posen una apariencia similar Los espectros de reflectancia se pueden utilizar tanto para el análisis cualitativo como cuantitativo La mayoría de los actuates fabricantes de instrumentos ofrecen accesorios que se colocan dentro de los compartimentos para las cubetas de los instrumentos de absorción en el infrarrojo. De esta forma es posible obtener espectros de reflexión de una manera simple. 50
Tipos de reflexión- Reflexión Especular La reflexión de la radiación es de cuatro tipos: Reflexión especular Reflexión difusa Reflexión interna Reflexión total atenuada (ATR) La reflexión especular se observa cuando el medio reflectante es una superficie uniformemente pulida El ángulo de reflexión es idéntico al ángulo de incidencia de la radiación Si la superficie contiene una sustancia capaz de absorber radiación del IR la intensidad relativa de la reflexión es menor en las longitudes de onda donde la superficie absorbe que en las que no hay absorción La representación grafica de la reflectancia R, que es la fracción de la potencia radiante incidente que se refleja respecto a la longitud de onda o número de onda, proporciona un espectro para un compuesto que es similar, en su aspecto general, al espectro de transmisión de la especie Los espectros se pueden utilizar para el examen y caracterización de las superficies lisas de sólidos y de sólidos recubiertos, pero no se utiliza tanto como los espectros de reflexión difusa y total. 51
Espectrometría de reflectancia difusa (DRIFTS) La espectrometría de reflectancia difusa en el infrarrojo de transformada de Fourier (DRIFTS) es una forma eficaz de obtener espectros en el IR de forma directa sobre muestras pulverizada La preparación de la muestra es muy reducida Se obtienen datos de la región espectral del IR convencional en muestras que no han sufrido una alteración apreciable de su estado original Para que las medidas de reflectancia difusa pudieran usarse de forma rutinaria fue necesario disponer de instrumentos con transformada de Fourier La intensidad de la radiación reflejada en una muestra pulverizada es demasiado baja para que pudiera medirse en los instrumentos dispersivos con la resolución y la relación señal/ruido adecuada 52
Espectrometría de reflectancia difusa (DRIFTS) La reflexión difusa es un proceso complejo tiene lugar cuando un haz de radiación choca con la superficie de un polvo finamente dividido En este tipo de muestras tiene lugar una reflexión especular en cada superficie plana Sin embargo, como hay muchas superficies de estas y se encuentran aleatoriamente orientadas, la radiación se refleja todas las direcciones Es característico que la intensidad de la radiación reflejada sea más o menos independiente del ángulo de visión 53
Espectrometría de reflectancia difusa (DRIFTS) Se han desarrollado varios modelos para describir la intensidad de la radiación reflejada difusa en términos cuantitativos El más utilizado de estos modelos lo desarrollaron Kubelka y Munk. Sobre la base de este modelo se puede demostrar que la intensidad de la reflectancia relativa para una potencia de f(r' ) viene dada por donde R es el cociente entre la intensidad reflejada por la muestra y la de un patrón no absorbente; como el cloruro de potasio finamente pulverizado 54
k es el coeficiente de absorción molar del analito y s es el coeficiente de dispersión. Para una muestra diluida, k esta relacionado con la absortividad molar ε y la concentración molar del analito c mediante la relación k = 2,303 εc Los espectros de reflectancia, por tanto, son una representación grafica de f(r' ) frente al número de onda 55
Instrumentación Actualmente, la mayoría de los fabricantes de instrumentos FTIR disponen de unos adaptadores que se colocan en los compartimentos de las cubetas y permiten realizar las medidas de reflectancia difusa La Figura ilustra un tipo de adaptador El haz colimado, procedente del interferómetro, se refleja, mediante dos espejos planos, sobre un paraboloide P 1 fuera del eje, que enfoca la radiación sobre un pequeño recipiente que contiene la muestra pulverizada La radiación que ha sufrido la reflexión difusa en la muestra, cuya superficie es de aproximadamente 4 mm de diámetro, se recoge con un espejo elipsoidal E y se enfoca, mediante un segundo paraboloide P 2, sobre el detector D Para obtener un espectro con un instrumento de haz sencillo, primero se almacena la señal de la muestra. Se registra una señal de referencia colocando en el lugar de la muestra un buen reflector, como el cloruro de potasio finamente molido. La reflectancia se obtiene al dividir estas señales 56
Comparación de los espectros de absorción y de reflexión Se compara el espectro de absorción en el IR convencional del carbazol, obtenido mediante pastillas de KBr con el espectro de reflectancia difusa de una mezcla del 5 por 100 de carbazol en cloruro de potasio finamente molida Obsérvese que la posición de los picos es la misma en ambos espectros pero la altura relativa de los picos difiere considerablemente Las diferencias son características, los picos secundarios son generalmente más intensos en el espectro de reflexión 57
Espectrometría de reflexión interna La espectroscopia de reflexión interna es una técnica que permite la obtención de espectros de infrarrojo de muestras que presentan alguna dificultad, como sólidos de limitada solubilidad, películas, fibras, pastas, adhesivos y polvos Principios del método Cuando un haz de radiación pasa de un medio más denso a uno menos denso, se produce una reflexión. La fracción del haz incidente que se refleja es mayor a medida que aumenta el ángulo de incidencia Cuando se sobrepasa un cierto ángulo critico, la reflexión es completa. Teórica y experimentalmente se ha demostrado que durante el proceso de reflexión el haz se comporta como si penetrase una cierta distancia en el medio menos denso antes de reflejarse. La profundidad de penetración, que puede variar desde una fracción de longitud de onda a varias longitudes de onda, depende de la longitud de onda de la radiación incidente, del índice de refracción de los dos materiales, y del ángulo que forma el haz incidente con la interfase 58
Espectrometría de reflexión interna La profundidad de penetración, que puede variar desde una fracción de longitud de onda a varias longitudes de onda, depende de la longitud de onda de la radiación incidente, del índice de refracción de los dos materiales, y del ángulo que forma el haz incidente con la interfase La radiación que penetra se denomina onda evanescente Si el medio menos denso absorbe la radiación evanescente, se produce una atenuación del haz en las longitudes de onda de las bandas de absorción Este fenómeno se conoce como reflectancia total atenuada (ATR) La ATR puede considerarse como una variante de la reflexión interna 59
Instrumentación La Figura muestra un aparato para las medidas de la reflectancia total atenuada Como se puede apreciar en la figura superior, la muestra (en este caso, un sólido) se coloca sobre las caras opuestas de un material cristalino transparente con un alto índice de refracción A menudo se emplea una mezcla cristalina de bromuro de talio/yoduro de talio, y también placas de seleniuro de germanio y cinc Ajustando adecuadamente el ángulo incidente, la radiación experimenta múltiples reflexiones internas antes de pasar del cristal al detector En cada una de esas reflexiones tiene lugar la absorción y la atenuación 60
En la parte inferior de la Figura se muestra un esquema de la óptica de un accesorio comercial para medidas de la reflectancia total atenuada. Se puede elegir el ángulo de incidencia entre 30, 45 o 60 También se puede disponer de cubetas para muestras liquidas. 61
Espectros de reflectancia total atenuada Los espectros de reflectancia total atenuada son similares, pero no idénticos, a los espectros de absorción ordinarios En general, se observan los mismos picos pero sus intensidades relativas son distintas Las absorbancias, aunque dependen del ángulo de incidencia, son independientes del espesor de la muestra, debido a que la radiación solo penetra unos pocos micrómetros en la muestra Una de las mayores ventajas de la espectroscopia de reflectancia total atenuada es que, con una mínima preparación, se pueden obtener fácilmente los espectros de absorción de una gran variedad de tipos de muestras 62
Espectros de reflectancia total atenuada Se pueden estudiar fibras, hilos y tejidos comprimiendo las muestras sobre un cristal denso De una forma semejante se pueden manipular pastas, polvos o suspensiones Se pueden analizar disoluciones acuosas siempre que el cristal sea insoluble en agua Cuando se trata de muestras liquidas, se introduce el cristal ATR en el liquido La espectroscopia de reflectancia total atenuada se ha aplicado a numerosas sustancias: polímeros, gomas y otros sólidos 63
Espectroscopia en el infrarrojo cercano (NIR) La región espectral del infrarrojo cercano (NIR) se extiende desde el extremo superior de longitudes de onda del visible, a alrededor de 770 nm, hasta 2.500 nm (de 13.000 cm -1 a 4.000 cm -1 ) Las bandas de absorción en esta zona son sobretonos o combinaciones de las bandas vibracionales de tensión fundamentales que se producen en la región de 3.000 a 1.700 cm -1 Los enlaces implicados son, por lo general, C H, N H y O H Debido a que se trata de sobretonos o bandas de combinación, sus absortividades molares son pequeñas y los limites de detección son del orden del 0,1 % A diferencia de la espectrometría en el infrarrojo medio, el uso más importante de la radiación en el infrarrojo cercano es en la determinación cuantitativa de rutina de especies tales como agua, proteínas, hidrocarburos de bajo peso molecular y grasas en productos agrícolas, alimentos, petróleo e industria química Se utilizan tanto las medidas de reflexión difusa como las de transmisión, aunque la reflectancia difusa es, con mucho, la más utilizada 64
Instrumentación para el NIR La instrumentación utilizada en la región del infrarrojo cercano es semejante a la utilizada en la espectroscopia de absorción ultravioleta/visible Como fuentes se utilizan las lámparas de wolframio con ventanas de cuarzo Las cubetas son de cuarzo o sílice fundida que son transparentes hasta aproximadamente 3.000 nm La longitud de las cubetas varia de 0,1 a 10 cm. Los detectores normalmente son fotoconductores de sulfuro de plomo Los espectrofotómetros comerciales están diseñados para trabajar desde 180 a 2.500 nm, y de este modo se pueden utilizar para obtener espectros en el infrarrojo cercano En los estudios realizados en la región del infrarrojo cercano se utilizan varios disolventes. En la Figura que sigue se enumeran algunos de ellos Obsérvese que el tetracloruro de carbono y el disulfuro de carbono son los únicos disolventes transparentes en toda la región de infrarrojo cercano 65
Disolventes para el NIR Las líneas continuas representan transparencia satisfactoria para emplearlos en cubetas de 1 cm 66
Aplicaciones de la espectrometría de absorción NIR A diferencia de la espectroscopia en el infrarrojo medio, los espectros de absorción en el infrarrojo cercano no son adecuados para la identificación de compuestos Son mucho más útiles para el análisis cuantitativo de compuestos que contengan agrupaciones funcionales formadas por uniones entre: hidrogeno y carbono nitrógeno y oxigeno Estos compuestos se pueden determinar, a menudo, con exactitudes y precisiones más parecidas a las de la espectroscopia ultravioleta/visible que a las de la espectroscopia en el infrarrojo medio. 67
Aplicaciones NIR (absorción) a muestras con H 2 O, OH y CO Determinación de agua en muestras de: Glicerol Hidrazina Películas orgánicas Ácido nítrico fumante Determinación cuantitativa de fenoles, alcoholes, ácidos orgánicos e hidroperóxidos Se basa en el primer sobretono de la vibración de tensión O-H que absorbe a alrededor de 7.100 cm -1 (1,4 µm) Determinación de esteres, cetonas y ácidos carboxílicos: Se basa en su absorción en la región de 3.600 a 3.300 cm -1 (2,8 a 3,0 µm). En este caso la absorción corresponde al primer sobretono de la vibración de tensión del carbonilo. 68
Aplicaciones NIR (absorción) a muestras con aminas La espectrofotometría en el IR cercano es, también, una valiosa técnica para la identificación y determinación de aminas primarias y secundarias en mezclas, en presencia de aminas terciarias Los análisis se llevan a cabo, por lo general, en disoluciones de tetracloruro de carbono y en cubetas de 10 cm Las aminas primarias se determinan directamente midiendo la absorbancia de bandas de combinación de la tensión N H alrededor de 5.000 cm -1 (2,0 µm); en esta región no absorben ni las aminas secundarias ni las terciarias Las aminas primarias y secundarias tienen varias bandas de absorción superpuestas en la zona de 10.000 a 3.300 cm -1 (1 a 3 µm), debido a las vibraciones de tensión N H y sus sobretonos Las aminas terciarias no pueden presentar estas bandas. De este modo, una de estas bandas permite hallar la concentración de la amina secundaria después de corregir la absorcion por la amina primaria. 69
Aplicaciones de reflectancia NIR La espectroscopia de reflectancia en el infrarrojo cercano se ha convertido en la herramienta más importante para la determinación cuantitativa rutinaria de los componentes de sólidos finamente divididos. El uso mas extendido de esta técnica ha sido: Determinación de proteínas, humedad, almidón, aceites, lípidos y celulosa en productos agrícolas como granos y semillas oleaginosas Ejemplo: se determina el contenido de proteína en el trigo, de una manera mucho más sencilla y rápida que el tradicional método de Kjeldahl. En la espectroscopia de reflectancia en el infrarrojo cercano, la muestra sólida, finamente pulverizada, se irradia con una o más bandas estrechas de radiación de longitudes de onda comprendidas entre 1 y 2,5 µm, o 10.000 y 4.000 cm -1. Se produce una reflectancia difusa, en la que la radiación penetra la capa superficial de las partículas, excita los modos de vibración de las moléculas del analito, y luego se dispersa en todas direcciones. 70
Espectros de reflectancia difusa de una muestra de trigo En la Figura se muestra un espectro de reflectancia característico de una muestra de trigo En este caso la ordenada es el logaritmo de la inversa de la reflectancia R, log (1/R) = -log R, donde R es el cociente entre la intensidad de radiación reflejada por la muestra y la reflectancia de un patrón reflectante Como patrones se usan sulfato de bario u oxido de magnesio finamente pulverizados. La banda de reflectancia a 1.940 nm corresponde a un pico del agua que se utiliza en las determinaciones de la humedad. El pico cercano a 2.100 nm corresponde al solapamiento del pico del almidón y el de la proteína. Realizando medidas a dos longitudes de onda en esta región, se pueden determinar las concentraciones de cada uno de esos componentes 71
Instrumentos para reflectancia difusa NIR Los instrumentos comerciales para las medidas de reflectancia difusa emplean varios filtros de interferencia para proporcionar bandas de radiación estrechas. Otros están equipados con monocromadores de red. Por lo general, las medidas de reflectancia se efectúan a dos o más longitudes de onda por cada analito que se vaya a determinar. La Figura muestra un esquema de un instrumento de filtros característico. Las paredes interiores de la esfera de integración que rodea a la muestra están recubiertas con un material reflectante difuso casi perfecto como el sulfato de bario. La radiación reflejada por la muestra alcanza finalmente los detectores, después de múltiples reflexiones en las paredes de la esfera. El espejo basculante permite medir el cociente entre la intensidad de la radiación reflejada por la muestra y la reflejada por la pared. 72
Calibración La calibración del instrumento, como el que se muestra en la Figura, es a menudo difícil. Se debe disponer de 30 o más muestras de material a analizar con una concentración de analito semejante a la que se va a encontrar en la muestra verdadera. Por ejemplo, para la determinación de proteína en trigo, se necesitan de 30 a 50 muestras de trigo que contengan de un 10 a un 20 por 100 de proteína. Se realiza, entonces, un análisis químico cuidadoso mediante el procedimiento estándar de Kjeldahl para la determinación de proteínas. Para la medida de la reflectancia, las muestras se pulverizan hasta un tamaño de partícula reproducible y se mide su reflectancia a dos o más longitudes de onda. Para establecer las longitudes de onda óptimas de medida se ha de emplear un tiempo y un esfuerzo considerables. A partir de este estudio, se desarrollan y comprueban las ecuaciones que relacionan las reflectancias medidas con el porcentaje de proteína. La gran ventaja de los métodos de reflectancia en el infrarrojo cercano es su rapidez y la sencillez en la preparación de la muestra. Una vez que se ha puesto a punto el método. Las precisiones relativas son del 1 al 2 % 73
Espectroscopia en el infrarrojo lejano La región del infrarrojo lejano resulta especialmente útil en el estudio de compuestos inorgánicos, puesto que la absorción debida a las vibraciones de tensión y flexión de los enlaces entre átomos metálicos y ligandos inorgánicos u orgánicos tiene lugar, generalmente, a frecuencias inferiores a 650 cm -1 (>15 µm). Por ejemplo, los yoduros de metales pesados suelen absorber en la región inferior a los 100 cm -1, mientras que los bromuros y los cloruros presentan bandas a frecuencias superiores. Las frecuencias de absorción de los enlaces organometálicos dependen, tanto del átomo metálico como de la porción orgánica de la especie. 74
IR lejano y energía reticular de los cristales Los estudios de compuestos inorgánicos en el infrarrojo lejano proporcionan también una información útil sobre las energías reticulares de los cristales, y de las energias de transición de los materiales semiconductores. Las moléculas formadas exclusivamente por átomos ligeros, absorben en el infrarrojo lejano si poseen modos de flexión de esqueleto que impliquen a más de dos átomos que no sean hidrogeno. Los derivados del benceno sustituido son ejemplos importantes, y presentan varios picos de absorción. Los espectros son, a menudo, bastante específicos y útiles para la identificación de un compuesto particular, ya que se dispone de frecuencias de grupo características. 75
Frecuencias de grupo características en el IR lejano En la región del infrarrojo lejano se observa la absorción rotacional pura de los gases, siempre que las moléculas presenten momentos dipolares permanentes. Algunos ejemplos son: H 2 O, O 3, HCl y AsH 3. La absorción debida al agua es problemática; para reducir esta interferencia es necesario la eliminación del agua presente o al menos la purga del espectrómetro. Los espectrómetros de transformada de Fourier son especialmente útiles en los estudios de infrarrojo lejano. La ventaja en cuanto a energía del sistema interferométrico respecto al dispersivo, es que permite, por lo general, una mejora significativa de la calidad espectral. 76
Espectroscopia de emisión en el infrarrojo Las moléculas que absorben radiación infrarroja, al calentarse, también son capaces de emitir longitudes de onda características en el infrarrojo. El principal obstáculo para la aplicación analítica de este fenómeno ha sido la muy baja relación señal/ruido que caracteriza a la señal de emisión infrarroja, especialmente cuando la muestra se encuentra a una temperatura solo ligeramente superior a la ambiental. Con el desarrollo del método interferométrico, han aparecido en la bibliografía actual aplicaciones útiles e interesantes 77
Aplicaciones de la IR lejano Uno de los primeros ejemplos de la aplicación de la espectroscopia de emisión infrarroja describe la utilización de un espectrómetro de transformada de Fourier para la identificación de plaguicidas en niveles de microgramos. Las muestras se disuelven en un disolvente adecuado, y se evaporan en una placa de NaCl o KBr. Posteriormente se calienta la placa eléctricamente cerca de la entrada del espectrómetro. Los plaguicidas como el DDT, malation y dieldrin se identifican en cantidades tan pequeñas como de 1 a 10 µg. 78
Detección remota de compuestos emitidos en chimeneas industriales Se coloca un interferómetro en un telescopio reflector de 20 cm. Enfocando el telescopio hacia la pluma de humo de la planta industrial, se detectaron fácilmente CO 2 y SO 2 a muchos metros de distancia. De una forma semejante, el sistema de sensor óptico de emisiones por control remoto de la U.S. Environmental Protection Agency (Agencia de Proteccion Medioambiental de Estados Unidos), emplea un telescopio de 30 cm para recoger la radiación de los penachos industriales que se encuentran a una cierta distancia, y dirigirla hacia el interferómetro de un instrumentos IR 79
Instrumentos en el infrarrojo Para las medidas de absorción en el infrarrojo existen tres tipos de instrumentos disponibles comercialmente: (1) espectrofotómetros dispersivos de red que se utilizan principalmente para el análisis cualitativo; (2) instrumentos multiplex, que emplean la transformada de Fourier, que resultan adecuados para las medidas en el infrarrojo tanto cualitativas como cuantitativas; (3) fotómetros no dispersivos que se han desarrollado para la determinación cuantitativa de diversas especies orgánicas en la atmósfera por espectroscopia de absorción, de emisión y de reflectancia. Hasta los años ochenta, los instrumentos para medidas en el infrarrojo más utilizados fueron los espectrofotómetros dispersivos. Ahora, han sido desplazados por los espectrómetros de transformada de Fourier, por su rapidez, fiabilidad y comodidad. Solo cuando el precio es una cuestión importante se siguen empleando los instrumentos dispersivos 80
Sistemas con transformada de Fourier Espectroscopia de dominio del tiempo La espectroscopia convencional se puede denominar espectroscopia de dominio de la frecuencia, en la que los datos de la potencia radiante se registran en función de la frecuencia o de la longitud de onda La espectroscopia en el dominio del tiempo, se puede conseguir por medio de la transformada de Fourier, que relaciona las variaciones de la potencia radiante con el tiempo. 81
Las representaciones gráficas de las Figuras c y d representan los espectros convencionales de dos fuentes monocromáticas con frecuencias. La curva de la Figura e representa el espectro de una fuente que posee ambas frecuencias. En cada caso, se representa alguna medida de la potencia radiante, P(v), respecto a la frecuencia en Hertzios. El símbolo entre paréntesis pone énfasis en la dependencia de la potencia respecto a la frecuencia; la potencia en el dominio del tiempo se indicará como P(t). 82
Las curvas de la Figura a muestra los espectros del dominio del tiempo para cada una de las fuentes monocromáticas. Las dos se han representado gráficamente juntas para hacer más patente la pequeña diferencia de frecuencias. En este caso, la potencia instantánea P(t) se representa en función del tiempo. La curva de la Figura 7-40b es el espectro en el dominio del tiempo de la fuente que posee las dos frecuencias. Tal como indica la fle-cha horizontal, la gráfica manifiesta una periodicidad o pulsación a medida que las dos ondas están en fase o no lo están. Un examen de la Figura revela que, para una fuente que contenga varias longitudes de onda, la señal del dominio del tiempo es bastante más compleja. Debido al gran número de longitudes de onda que están implicadas, no se completa un ciclo completo en el período de tiempo mostrado. Para confirmarlo, se puede observar un modelo de pulsaciones cuando ciertas longitudes de onda están o no en fase. En general, la potencia radiante de la señal disminuye con el tiempo, como consecuencia de que varias longitudes de onda muy próximas entre sí están cada vez más desfasadas. 83
Es importante apreciar que una señal en el do-minio del tiempo contiene la misma información que un espectro en el dominio de la frecuencia y, de hecho, uno se puede convertir en otro por medio de ciertas operaciones matemáticas. Así, la Figura b se dedujo de la Figura e mediante la ecuación P(t) = k cos (2Π ν 1 t) + k cos (2 Πv 2 t) La diferencia de frecuencia entre las dos líneas es aproximadamente un 10 por 100 de v 2. 84
Obtención de espectros en el dominio del tiempo con un interferómetro de Michelson Las señales en el dominio del tiempo, como las de las Figuras, no se pueden lograr experimentalmente con radiaciones del intervalo de frecuencias asociado a la espectroscopia óptica (1012 a 1015 Hz), dado que no existen detectores que respondan a las variaciones de potencia radiante a estas enormes frecuencias. Así pues, un detector típico origina una señal que corresponde a la potencia promedio de una señal de alta frecuencia y no a su variación periódica. Por tanto, para obtener señales en el dominio del tiempo hace falta un método que convierta (o module) una señal de alta frecuencia en una de frecuencia medible sin distorsionar las relaciones de tiempo transportadas en la señal Las frecuencias de la señal modulada deben ser directamente proporcionales a las de la señal original. Se han empleado diferentes procedimientos de modulación de las señales para las diversas regiones de longitud de onda del espectro. El interferómetro de Michelson se utiliza mucho para modular la radiación de la región óptica. El dispositivo utilizado para modular la radiación óptica es un interferómetro de diseño similar al primero descrito por Michelson a finales del siglo xix. El interferómetro de Michelson es un dispositivo que divide un haz de radiación en dos haces de similar potencia radiante y posteriormente los recombina de tal forma que las variaciones de intensidad del haz recombinado se pueden medir en función de las diferencias de longitud de los c-minos de los dos haces. La Figura representa un esquema de dicho interferómetro, igual al que se usa para la espectroscopia óptica de transform-da de Fourier. 85
Como se muestra en la Figura, un haz de radiación de una fuente es colimado e incide en un divisor de haz, que transmite aproximadamente la mitad de la radiación y refleja la otra mitad. Los haces gemelos resultantes se reflejan en espejos, uno de los cuales es fijo y el otro móvil. A continuación, los haces se vuelven a encontrar en el divisor de haz, con una mitad de cada uno dirigiéndose hacia la muestra y el detector y las otras dos mitades regresando hacia la fuente. Con fines analíticos, sólo se emplean las dos mitades que atraviesan la muestra hacia el detector, aunque las otras dos mitades contienen la misma información sobre la fuente. 86
El movimiento horizontal del espejo móvil hace fluctuar de manera predecible la potencia de la radiación que llega al detector. Cuando los dos espejos están equidistantes del divisor (posición 0 en la Fig.), las dos partes del haz recombinado están precisamente en fase y la potencia radiante es máxima. Para una fuente monocromática, el movimiento en cualquier dirección del espejo móvil en una distancia exactamente igual a un cuarto de longitud de onda (posición B o C en la figura) cambia el camino óptico del correspondiente haz reflejado en una mitad de longitud de onda (un cuarto de longitud de onda en cada dirección). En estas circunstancias, la interferencia destructiva reduce a cero la potencia radiante de los haces recombinados. Un movimiento posterior hasta A o D, pone en fase de nuevo las dos mitades, de manera que se vuelve a producir una interferencia constructiva. 87
Ejemplo de espectro con FT 88
Espectrómetros de transformada de Fourier Para la región del infrarrojo se han descrito dos tipos de instrumentos multiplex. La codificación, se consigue dividiendo la fuente en dos haces con trayectorias que pueden variar su longitud periódicamente para dar modelos de interferencia. La transformada de Fourier se utiliza para el tratamiento de los datos. El segundo tipo es el espectrómetro de transformada de Hadamard, el cual es un instrumento dispersivo que emplea una plantilla móvil en el plano focal del monocromador para codificar los datos espectrales. Los instrumentos de infrarrojo de transformada de Hadamard no han tenido una gran aplicación. Cuando los espectrometros de infrarrojo de transformada de Fourier (FTIR) aparecieron por primera vez en el mercado, eran voluminosos, costosos, y requerían frecuentes ajustes mecánicos. Por este motivo, su uso se limito a aplicaciones especiales donde sus características únicas (rapidez, alta resolución, sensibilidad, y una precision y exactitud de la longitud de onda elevadas, eran esenciales. 89
Componentes de los instrumentos de transformada de Fourier La mayoría de los instrumentos de infrarrojo de transformada de Fourier disponibles comercialmente se basan en el interferómetro de Michelson, aunque también se encuentran otros tipos de sistemas ópticos. Se considerará solamente el diseño de Michelson, que se ilustra en la Figura 90
Mecanismo de tracción Para la obtención de interferogramas satisfactorios (y en consecuencia de espectros satisfactorios), es necesario que la velocidad del espejo móvil sea constante y que su posición se conozca exactamente en cualquier instante. También debe permanecer constante la verticalidad del espejo respecto a la trayectoria del haz a lo largo de todo el recorrido de 10 cm o más. En la región del infrarrojo lejano, donde el intervalo de longitudes de onda es de 50 a 1.000 µm (de 200 a 10 cm -1 ) se pueden conseguir desplazamientos del espejo de fracciones de longitud de onda y la medida exacta de su posición mediante un tornillo micrométrico accionado con un motor. Sin embargo, para las regiones del infrarrojo medio y cercano se requieren mecanismos más precisos y sofisticados. En este caso, el soporte del espejo esta suspendido sobre cojinetes de aire sujetos a unos manguitos de acero inoxidable (vease Fig). Este montaje se acciona por medio de un motor de tracción lineal y una bobina electromagnética semejante a la de un altavoz; el espejo se mueve a una velocidad constante por medio de una corriente creciente en la bobina 91