Teorico 26 FTIR

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Espectroscopía 
de absorción en 
el infrarrojo
ultravioleta infrarrojo
Dr. Martín F. Desimone
Cátedra de Química Analítica Instrumental
Año 2015
Algunos antecedentes:
La radiación infrarroja fue descubierta por William Herschel en
1800 al estudiar el poder calorífico de la radiación
La radiación infrarroja es la que emiten los objetos en forma de
calor
El cuerpo humano emite radiación infrarroja con una longitud
de onda entorno a los 10 mm.
El control remoto del televisor y los lectores de códigos de
barras funcionan con infrarrojos.
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H = campo magnético
3
4
ultravioleta infrarrojo
La radiación infrarroja no es suficientemente energética como
para producir las transiciones electrónicas que se dan cuando se
trata de radiaciones ultravioleta y visible
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Unidades de medida en IR
La espectroscopía infrarroja involucra la absorción de radiación
que causa en las uniones químicas vibraciones de tensión y de
flexión.
Infrarrojo mas utilizado:
Longitud de onda (λ) entre 2.5 y 15 µm
Número de onda (ν) entre 4000 y 670 cm-1
ν(cm-1) = 1 / λ (cm)
La preferencia por la escala lineal de números de onda en
espectroscopía de infrarrojo se debe a la proporcionalidad directa
que hay entre esta magnitud y la energía o la frecuencia.
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Espectro de absorción infrarrojo de una película de poliestireno. 
Notar que la escala del número de onda cambia a partir de 2000 cm-1. 
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Para absorber radiación infrarroja, una molécula debe
experimentar un cambio neto en el momento dipolar como
consecuencia de su movimiento de vibración o de rotación
El momento dipolar está determinado por la magnitud de la
diferencia de carga y por la distancia entre ambos centros de
carga.
En especies homonucleares como O2 Cl2 o N2 el momento
dipolar no se altera durante la vibración o la rotación, por
lo tanto no absorben en el infrarrojo.
Solo los isómeros ópticos (enantiómeros) absorben en el
infrarrojo exactamente de la misma manera.
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La energía de un fotón esta dada por la ecuación de Planck-Einstein: 
E = hν
donde: 
h = constante de Planck (4 x 10-13 kj / mol) 
ν = frecuencia (s-1) 
La relación entre la frecuencia y la longitud de onda es: 
ν = c / λ
donde: 
c = velocidad de la luz (3 x 1010 cm / s) 
λ = longitud de onda (cm) 
La absorción de radiación infrarroja provoca un cambio a nivel de 
los distintos estados vibracionales y rotacionales (niveles 
cuantizados)
Vibración de tensión:
Cambio continuo en la 
distancia interatómica
Vibración de flexión:
Cambio en el ángulo 
entre dos enlaces
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Modos de vibración del CO2
Tipos de vibraciones moleculares
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Vibraciones de flexión
Balanceo en el plano Tijereteo en el plano Aleteo fuera del plano Torsión fuera del plano
Vibraciones de tensión
Simétrica Asimétrica
Espectroscopía de Infrarrojo - FTIR 18
• Los Las vibraciones características de átomos unidos
covalentemente se clasifican en dos tipos, a saber,
vibraciones de “tensión”, que suponen cambios en la
longitud de los enlaces; y vibraciones de “flexión”,
que corresponden a cambios en el ángulo de enlace.
• Determinados grupos químicos dan bandas de
vibración características, independientemente de la
molécula a la que pertenezcan. El rango de números
de onda en el que aparecen esas bandas se ve
afectado por factores inter e intramoleculares.
•Entre los factores intramoleculares se encuentra la
masa atómica de los grupos adyacentes, el
acoplamiento mecánico entre grupos similares, la
formación de puentes de hidrógeno, simetría,
electronegatividad, conjugación, etc .
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Determinación del número de onda y la longitud de onda 
aproximados
La siguiente ecuación de Hooke puede ser utilizada para estimar el 
número de onda al cual van a absorber los distintos tipos de uniones 
químicas: 
ν = 4.12 * (K / µ)1/2
donde: 
K = constante de fuerza (en dinas / cm) 
para unión simple: K = 5 x 105 dinas/cm 
para doble enlace: K = 10 x 105 dinas/cm 
para triple enlace: K = 15 x 105 dinas/cm 
µ = M1M2 / (M1 + M2) (M1 y M2 son las masas molares de 
los átomos involucrados en la unión)
Ejemplo para unión C=C:
ν = 4.12 * (10 x 105 / [12 * 12 / (12 + 12)])1/2 = 1682 cm-1
(calculado) 
Comparado con 1650 cm-1 (experimental) 
Ejemplo para unión C-H:
ν = 4.12 * (5 x 105 / [12 * 1 / (12 + 1)])1/2 = 3032 cm-1
(calculado) 
Comparado con 2900 cm-1 (experimental) 
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Factores que influencian la frecuencia de absorción
o Masa de los átomos unidos. A medida que aumenta la masa,
el número de onda disminuye.
C-H C-C C-O C-Cl C-Br C-I
3000 
cm-1
1200 
cm-1
1100 
cm-1
750 
cm-1
600 
cm-1
500 
cm-1
o Fuerza de la unión química. A medida que aumenta, el
número de onda también aumenta.
C,C triple enlace C=C C-C
2150 cm-1 1650 cm-1 1200 cm-1
Hibridización. Las uniones son mas fuertes en el orden sp>sp2>sp3. 
C-H (sp) C-H (sp2) C-H (sp3)
3300 cm-1 3100 cm-1 2900 cm-1
Resonancia. La Conjugación disminuye la energía para 
producir la vibración. 
cetonas
cetonas α,β-
insaturadas
cetonas α,β,γ,δ-
insaturadas
1715 cm-1 1690 cm-1 1675 cm-1
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Curva de energía potencial del oscilador 
armónico y niveles de energía vibracional 
(líneas horizontales de trazo continuo) que 
se obtienen cuando el concepto de oscilador 
armónico se usa en la mecánica cuántica 
para deducir las funciones de onda de la 
molécula diatómica. Las líneas de puntos 
representan los niveles de energía 
vibracional observadas experimentalmente.
Mientras que para la mecánica clásica el oscilador armónico puede 
tomar cualquier valor de energía, la mecánica cuántica predice que 
estos valores están cuantificados 
--- Vibraciones de tensión
--- Vibraciones de flexión
La escala del número de onda cambia a partir de 2000 cm-1. 
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Un gran parecido en la región de la huella dactilar (así como en las
otras) de los espectros de dos compuestos constituye casi una
evidencia de su identidad
Espectro IR de: CH3CH2CH2OH
Vibraciones de flexión C-H
Vibraciones de tensión O-H
Vibraciones de tensión C-H
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aldehido C-H Flexión aldehido C-H 
2-metilpropanal
Espectro IR 
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Espectro IR: alprazolam
Espectro IR: alprazolam
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Análisis cuantitativo
Posee varios inconvenientes:
• incumplimiento de la ley de Beer: estrechez de las bandas de
absorción y limitaciones instrumentales
• complejidad de los espectros: superposición parcial de los picos
de absorción
• cubetas: para muchos análisis son poco prácticas y pueden
ocasionar importantes incertidumbres analíticas
Por estos motivos, los errores analíticos asociados a un análisis
infrarrojo cuantitativo, pocas veces pueden reducirse al nivel
asociado con los métodos UV-visible
Método de la línea de base para la determinación de la absorbancia
To y Ts son las 
transmitancias del 
disolvente y de la 
disolución del analito 
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La absorbancia de una mezcla, por lo general, a cualquiera de
las longitudes de onda no está determinada sólo por la
concentración de uno de los componentes, debido a la
superposición parcial de las bandas de absorción.
En este caso, se deben determinar las absortividades molares
de cada uno de los componentes, a una longitud de onda,
característica de cada uno (deben ser picos útiles de
absorción).
De esta forma, se pueden escribir ecuaciones que permiten el
cálculo de la concentración de cada especie a partir de las
medidas de absorbancia. (Ej.: TP pKa indicador)
Técnicas para la preparación de distintos tipos 
de muestras
Muestras de gases: cubetas (cm a m de camino óptico)
Muestras líquidas: disoluciones
Muestras de líquidos puros: películas muy delgadas)
Muestras de sólidos (NUJOL, bromuro de potasio)
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Muestras de gases
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Celda típica para instrumentos de GC-IR
Celda desmontable para muestras líquidas
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Ventana de cloruro de sodio
Disolventes mas utilizados
---- Indica la región utilizable
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Accesorios para la preparación de pastillas de bromuro de
potasio
Se comprime a una presión 
de 1000 kg/cm2.
Vacío
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ATR (Reflectancia total atenuada)
Del monocromadorAl detector
Material cristalino, transparente de alto índice de refracción:
Bromuro de talio/yoduro de talio o seleniuro de germanio y zinc
Aplicado a polímeros, gomas, superficies, otros sólidos y
microorganismos
20 % ODS
5 % ODS
Aplicaciones: ATR de superficie de acero modificada 
quimicamente mediante el proceso sol-gel
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20 % ODS
20 % ODS pulido
Aplicaciones: ATR de superficie de acero modificada 
quimicamente mediante el proceso sol-gel
Instrumentos para espectroscopía de 
infrarrojo
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UV-visible IR
Fuentes
Lámparas de deuterio o 
tungsteno
Sólidos calentados
Grosor de las rejillas Menor mayor
Detectores responden 
a:
fotones Calor
Localización de la 
celda
Entre el 
monocromador y el 
detector
Entre la fuente y el 
monocromador
Componentes ópticos Cuarzo ClNa, BrK
Fuentes de radiación en el infrarrojo
• Las fuentes de radiación en el infrarrojo constan de un 
sólido inerte que se calienta electricamente a una 
temperatura comprendida entre 1500 y 2200K.
• Emisor de Nerst
• Fuente Globar
• Fuente de filamento incandescente
• Arco de mercurio
• Lámpara de filamento de wolframio
• Fuente láser de dióxido de carbono
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El emisor de Nernst. Está constituido por óxidos de tierras raras, y tiene forma 
cilíndrica con un diámetro de 1 a 2 mm y una longitud de unos 20 mm. Los extremos 
del cilindro están unidos a unos conductores de platino que permiten el paso de la 
electricidad lo que permite alcanzar temperaturas comprendidas entre 1200 y 2200 K. 
La fuente Globar. Un Globar es una varilla de carburo de silicio, que por lo 
general tiene unos 50 mm de longitud y 5 mm de diámetro. Se calienta también 
eléctricamente (1300 a 1500 K) 
Fuente de filamento incandescente. Una fuente de intensidad algo menor, aunque 
de vida útil más prolongada en comparación con un Globar o un emisor de Nernst, 
consiste en una espiral muy apretada de alambre de nicromo, que se calienta por el 
paso de una corriente eléctrica. 
Detectores de infrarrojo
• Los detectores de infrarrojo son de tres tipos:
• Detectores térmicos: 
Termopares: unión de 2 metales entre las que se genera un potencial que varia 
en función de la temperatura
Balómetros: láminas de metales que cambian la resistencia con la 
temperatura.
• Detectores piroeléctricos: cristales de sulfato de triglicina. Al incidir 
la radiación, cambia la distribución de carga, lo que puede detectarse 
como una corriente en un circuito externo.
• Detectores fotoconductores: la absorción de radiación disminuye la 
resistencia eléctrica del material. 
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• Espectrómetros dispersivos que se utilizan principalmente 
para el análisis cualitativo.
• Espectrómetros de transformada de Fourier adecuados para 
análisis cualitativos y cuantitativos.
• Espectrómetros no dispersivos desarrollados para la 
determinación cuantitativa.
Instrumentos para espectroscopía de 
infrarrojo
Un interferograma es un 
registro de la señal que produce 
un interferómetro de 
Michelson. La señal se procesa 
mediante un cálculo 
matemático conocido como 
transformada de Fourier para 
producir un espectro IR
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El movimiento horizontal del espejo móvil hará fluctuar de manera 
predecible la potencia de la radiación que llega al detector.
Cuando los dos espejos 
equidistan del divisor 
(posición O de la 
Figura), las dos partes 
del haz recombinado 
estarán totalmente en 
fase y la potencia será 
máxima. 
1) Todas las frecuencias son detectadas simultáneamente y se puede obtener un
espectro completo en menos de 1 sec. La señal del interferograma es
promediada después de varios barridos por lo que la relación señal/ruido es alta
(ventaja de Felgett).
2) El haz de IR incide totalmente sobre la muestra sin necesidad de rejillas para
monocromar la luz y no hay limitación de la cantidad de energía que llega al
detector. Al permitirse un mayor flujo energético en el sistema hay una mayor
sensibilidad (ventaja de Jacquinot).
3) Los instrumentos de FT-IR poseen un láser HeNe que permite una calibración
interna de frecuencias de 0.0001 cm-1 y la digitalización de los datos (ventaja
de Connes).
4) La muestra sufre un pequeño calentamiento dado que se encuentra alejada de la
fuente luminosa; no hay contribuciones de emisión de la muestra, lo que
facilita el tratamiento matemático de los espectros.
Ventajas de los instrumentos con transformada de Fourier frente a los dispersivos
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Los instrumentos característicos incluyen 5 
componentes
•Fuente estable de energía radiante
•Un recipiente transparente para contener la muestra
•Un dispositivo para realizar la medida que aísle una zona 
restringida del espectro
•Un detector de radiación
•Sistema de tratamiento de señal
Componentes y materiales para los instrumentos espectroscópicos
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Componentes y materiales para los instrumentos espectroscópicos
Componentes y materiales para los instrumentos espectroscópicos
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Estudio en tiempo real de procesos biotecnológicos
FTIR en estudios con biomoléculas
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FTIR en estudios con biomoléculas
• El desarrollo de computadoras permitió el diseño de instrumentos
basados en el interferómetro de Michelson (Michelson, 1891).
• Aplicación de rápidos algoritmos de transformada de Fourier.
• Mejora de la relación señal-ruido.
• Desarrollo de métodos de aumento de resolución: derivada, desconvolución.
• Estudio de cambios conformacionales en proteínas. Interacciones proteína-
proteína y proteína lípido.
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Efecto de la temperatura sobre 
la proteína lactoglobulina.
Permite obtener información de 
la relación entre estructura y 
función.
Aspectos técnicos en el estudio de muestras biológicas
Las moléculas biológicas ejercen sus funciones en
solución acuosa por lo que las muestras deben estar
contenidas entre ventanas insolubles en agua, por ejemplo
de CaF2, BaF2, ZnS, etc. Cada tipo de ventana tiene un
rango de transmitancia que debe considerarse en función
de las vibraciones que queramos estudiar.
Sin embargo, en el estudio de proteínas, el agua presenta
una gran banda de absorción en la zona de vibración de
estas. Por ello, la muestra debe formar una película muy
fina (≤10 µm) o sustituir el agua por D2O, evitando que se
solape la banda acuosa.
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H2O versus D2O
Espectro infrarrojo del hidrogel de 
colágeno obtenido. Se pueden 
observar
las bandas de amida A y B (3333cm-1
y 2922cm-1), amida I, II y III 
(1653cm-1, 1539cm-1 y 1241 cm-1)
Espectro infrarrojo de la 
queratina obtenida. Se 
pueden observar las 
bandas de -OH
(3411 cm-1), -NH (3300 
cm-1), amida I, II y III 
(1645 cm-1, 1542 cm-1 y 
1241 cm-1)
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El grupo peptídico produce hasta 9 
bandas características llamadas A, 
B, I, II,… VII. 
Las bandas Amida I y Amida II son 
las dos principales bandas de los 
espectros IR de proteínas 
Foglia et al., J. Mater. Chem. B, 2013, 1, 6283–6290
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Foglia et al., J. Mater. Chem. B, 2013, 1, 6283–6290
Tuttolomondo et al., RSC Adv., 2015, 5, 57395–57405
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ESPECTROSCOPÍA EN EL INFRARROJO CERCANO
Los enlaces implicados son por lo general C-H, N-H y O-H.
La aplicación mas importante, es el análisis cuantitativo de 
especies como agua, proteínas, grasas e hidrocarburos de bajo peso 
molecular.
Es menos útil que MIR para la identificación.
Bibliografía:
• Análisis Instrumental. 4ta Edición Mc Graw-Hill. Skoog DA,
Leary JJ (1994) ISBN: 0-03-023343-7.
• Principios de Análisis Instrumental. 5º Edición Mc Graw-Hill.
Skoog DA, Holler FJ, Nieman TA (2001) ISBN: 84-481-2775-7
• Análisis Instrumental. Pearson Practice Hall. Rubinson KA,
Rubinson JF (2001) ISBN: 0-13-790726-5
•Espectroscopía. Pearson Practice Hall. Requena A, Zúñiga J.
(2004) ISBN: 84-205-3677-6