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Espectroscopia Vibracional
Espectroscopia de absorción en el infrarrojo
La espectroscopia infrarroja involucra la absorción de radiación que causa en las uniones química vibraciones
de tensión y flexión (vibraciones moleculares); la energía que provee esta radiación no es suficiente para llegar
a nivel electrónico excitado, pero si produce transiciones en subniveles vibracionales y rotacionales de las
moléculas.
Hay tres regiones de IR: Cercano (menor λ), medio (la más utilizada) y lejano (mayor λ); recordemos que a
mayor λ, menor energía y mayor frecuencia.
En los gráficos de IR se ve Señal (ej. Transmitancia) en función de la frecuencia (ν); las señales se ven como
“negativas” ya que al absorber energía las moléculas se ve como una disminución de Transmitancia; en la
escala del numero de onda a partir de 2000 cm-1, esta se acorta mas debido a que por esta zona hay mayor
cantidad de señales y porque es la zona donde hay señales características de la molécula y se la utiliza como
criterio de identificación (zona de huellas dactilares)
Los materiales que absorben en el IR, su frecuencia de radiación con la que irradio debe coincidir con el
movimiento de resorte del enlace en la molécula además la molécula debe experimentar un cambio neto en el
momento dipolar como consecuencia de su movimiento de vibración o de rotación; por esto, especies
homonucleares cuyo momento dipolar no se altera no absorben (O2, Cl2, N2), y sólo los isómeros ópticos
(enantiómeros) absorben en el IR exactamente de la misma manera. La absorción de radiación infrarroja
provoca un cambio a nivel de los distintos estados vibracionales y rotacionales (niveles cuantizados).
Las vibraciones características de átomos unidos
covalentemente se clasifican en dos tipos:
✔ Vibraciones de tensión: cambio continuo en la
distancia interatómica (cambios en la longitud de los
enlaces).Necesitan mayor energía. A su vez se dividen
en:
▪ Simétricas: la tensión ocurren de los dos lados
del mismo tiempo
▪ Asimétricas: un átomo se acerca y el otro se
aleja al mismo tiempo
✔ Vibraciones de flexión: cambio en el ángulo entre dos
enlaces. Menores número de onda, de menor
frecuencia y menor energía). A su vez se dividen en:
▪ Balanceo en el plano: los dos átomos se
balancean hacia el mismo lado y vuelven
▪ Tijereteo en el plano: tipo tijera, se acercan al
mismo tiempo al centro
▪ Aleteo fuera del plano: es de alteo, donde los
dos salen del plano y se vuelven a meter hacia
adentro
▪ Torsión fuera del plano: Aleteo, donde uno se acerca y el otro se aleja del plano y luego alternan
Determinados grupos químicos dan bandas de vibración características, independientemente de la molécula
que pertenezca y el rango de números de onda en el que aparecen esas bandas se ve afectado por factores
inter e intramoleculares (masa atómica de los átomos adyacentes, el acoplamiento mecánico entre grupos
similares, la formación de puentes de H, simetría, electronegatividad, conjugación, etc).
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Determinación del numero de onda y la longitud de onda aproximados
Según la ecuación de Hooke se puede estimar el número de onda al cual van a absorber los distintos tipos de
uniones químicas, y estima donde pueden aparecer las señales de los diferentes grupos químicos (cálculo
teórico)
k= cte de fuerza (dinas/cm); μ= masas molares de los átomos involucrados en laν = 4, 12 * ( 𝐾µ )
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unión
Factores que influencian la frecuencia de absorción: hacen que el cálculo teórico sea diferente a lo
experimental
▪ Masa de los átomos unidos: a medida que aumenta la masa, el número de onda disminuye
▪ Fuerza de la unión química: a medida que aumenta, el número de onda también aumenta (C≡C > C=C >
C-C).
▪ Hibridización: a mayor carácter S, mayor numero de onda,las uniones son más fuertes en el orden sp >
sp2 > sp3
▪ Resonancia: la conjugación disminuye la energía para producir la vibración.
Un gran parecido en la región de la huella dactilar (así como en las otras, de los grupos funcionales) de los
espectros de dos compuestos constituye casi una evidencia de identidad, Ej. Tengo a mi sustancia y un patrón
de la misma, puedo compararlos y si son superponibles (igual relación de señales), puedo identificarlos
(identifico grupos funcionales).
Análisis cuantitativo: 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, no se pueden integrar
(señales superpuestas)
Cubetas: son poco prácticas y pueden ocasionar importantes incertidumbres analíticas
Por todo esto, los errores analitos asociados a un análisis infrarrojo cuantitativo pocas veces puede reducirse al
nivel asociado con los métodos UV-Visibles; Se prefiere utilizar otro método como análisis cuantitativo, ya que
tiene poca sensibilidad.
Técnicas para la preparación de distintos tipos de muestras
Muestras de gases: cubetas (referencia + Mtra) con sensor que tiene un diafragma flexible que se
curva según la temperatura de la celda (la curvatura se determina con diferencia de potencial), dada
por la radiación absorbida por la muestra. Pueden acoplarse a sistemas de GC (el IR es un detector no
destructivo lo que permite agregar a otros detectores en tándem).
Muestras líquidas: disoluciones que se colocan en celdas desmontables con distintas placas de sales
que se atornillan. Los disolventes más utilizados son no acuosos porque el agua puede dañar las
ventanas de sales; se elige un solvente que no de señales en la zona del espectro que se quiere medir.
Muestras de líquidos puros: películas muy delgadas
Muestras de sólidos: NUJOl, pastillas de KBr. Se preparan pastillas de bromuro de potasio junto con la
muestra en vacío y alta presión, éstas tienen un delgado espesor y son transparentes con un alto índice
de refracción. También se utilizan actualmente ATR (Reflectancia total atenuada) la cual consiste en un
soporte de cristal donde se coloca la muestra sin preparación previa y no se requiere que la radiación la
atraviese; la radiación impacta en el cristal y va a la muestra (interactúa con una interface).
Anteriormente los cristales eran muy grandes, necesitaban mucha muestra y se opacaban al ser
atacados por la humedad, perdiendo sensibilidad, actualmente son de punta de diamante
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confiriéndoles mayor resistencia, menor tamaño de superficie, mayor estabilidad y requiere menor
cantidad de muestra. Se aplica a polímeros, gomas, superficies, otros sólidos y microorganismos.
Equipo
(Espectrofotómetro dispersivo)
Componentes
● Fuente estable de energía radiante:
▪ Sólido inerte que se calientan eléctricamente a altas temperaturas (sólidos incandescentes).
▪ Emisor de Nerst: constituido por óxidos de tierras raras, donde sus extremos están unido a
conductores de platino que se calientan eléctricamente hasta que emiten radiación en la zona
del IR.
▪ Fuente de Globar: varilla de carburo de silicio que se calienta eléctricamente.
▪ Fuente de filamento incandescente: de intensidad algo menor pero de vida útil prolongada
respecto a Nerst o Globar, consiste en una espiral muy apretada de alambre de nicromo, que
clienta al circular una corriente eléctrica.
▪ Arco de mercurio
▪ Lámpara de filamento de wolframio
▪ Fuente laser de dióxido de carbono
● Celda: Recipiente transparente para contener la muestra, se localiza entre la fuente y el
monocromador. Pueden ser de sílice fundida o cuarzo, NaCl, KBr
● Componentes ópticos: dispositivo para realizar la medida que aísla en una zona restringida del
espectro. Prisma de ClNa, prisma de BrK, filtros e interferencias, ATR
● Detector de radiación: Se traduce la señal que llega en una señal eléctrica medible
▪ Térmicos:
● Termopares: unión de dos metales entre las que se genera un potencial que varía en
función de la temperatura (según la radiación que absorbe) a la que llega el material
● Balómetros: Láminas de metales que cambian la resistencia con la temperatura
▪ Piroeléctricos: cambian la distribución de carga que puede detectarsecomo circulación de
corriente en un circuito externo
▪ Fotoconductores: la absorción de radiación disminuye la resistencia eléctrica del material
● Sistema de tratamiento de señal
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Instrumentos para espectroscopia de infrarrojo
❖ Espectrómetros dispersivos: Son de vieja tecnología, útiles para análisis cualitativo. Se selecciona el
número de onda que va llegando al detector con un monocromador/prisma y se mide la transmitancia
o absorbancia. Para hacer un espectro en IR hay que barrer un amplio rango lo cual lleva tiempo. Se
reemplazaron por los de TF
❖ Espectrómetros de transformada de Fourier: para análisis cuantitativos y cualitativos. Permiten analizar
todas las longitudes de onda al mismo tiempo (posibilidad de obtener espectros completos), tienen
mayor sensibilidad porque al acumular espectros aumenta la relación señal/ruido. Poseen mejor
resolución, precisión y rapidez. Contienen un espejo divisor del haz, cuyo movimiento horizontal hará
fluctuar de manera predecible la potencia de la radiación que llega al detector (interferómetros). Para
cada frecuencia hay una modulación diferente
❖ Espectrómetros no dispersivos: determinaciones cuantitativas.
Principales ventajas de los instrumentos con FT frente a los dispersivos
• Todas las frecuencias son detectadas simultáneamente y se puede obtener un espectro completo en menos
de un segundo.
• El haz de IR incide totalmente sobre la muestra sin necesidad de monocromar la luz y no hay limitación para
la energía que llega al detector (> sensibilidad)
• La muestra sufre un pequeño calentamiento dado que se encuentra alejada de la fuente luminosa, no hay
contribuciones de emisión de ésta por lo que se facilita el tratamiento de los espectros
Aplicaciones IR en procesos biológicos
Estudio en tiempo real de procesos biotecnológicos por ser no destructivo, se aplica TF; se mejora la relación
señal ruido; desarrollo de aumentos de resolución
• Microscopios de infrarrojo
• Estudio de cambios conformacionales en proteínas. Interacciones proteína-proteína y proteína-lípido,
desnaturalización de proteínas.
• Seguir la cinética de una reacción o modificación química, ver el aumento o disminución de la señal del
analito en tiempo y señal de productos.
• Para caracterizar un producto comprado (si se trata de un comprimido primero se separan los componentes).
• Para identificar por IR se utilizan sustancias puras o con muy bajas impurezas.
Como las moléculas biológicas ejercen sus funciones solución acuosa, por lo que las muestras deben estar
contenidas entre ventanas insolubles en agua. En el estudio de proteínas el agua presenta una gran banda de
absorción en la zona de vibración de estas; por ellos la muestra debe formar una película muy fina o sustituir el
agua por deuterio.
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Espectroscopia en el infrarrojo cercano (NIR) y Medio (MIR)
Los enlaces implicados son por lo general C-H, N-H y O-H; la aplicación más importante es en el análisis de
especies como el agua, proteínas, grasas e hidrocarburos de bajo peso molecular; es menos útil que MIR (IR
medio) para la identificación. Tanto con NIR como con MIR se analiza lo que absorbe.
Al irradiar la muestra en el IR se produce excitación a niveles vibracionales, y puedo verlos junto con los
rotacionales (porque estos últimos son de menor energía).
MIR→ Es el más usado en el laboratorio para caracterizar e identificar sustancias químicas orgánicas; para
análisis cualitativo: dan espectros complejos, bandas de vibraciones fundamentales (producidas por las
transiciones entre los niveles de energía permitidos por la cuántica), características de casa sustancia; las
bandas de absorción son intensas (necesita poca cantidad de muestra); No se puede usar cuarzo ni vidrio para
la óptica porque absorbe e interfiere con la muestra; tiene contacto directo con el material a analizar por el
instrumento.
NIR→ esta más cercano a UV-visible (mayor λ, menor E de radiación, menor frecuencia), en esta zona está la
“zona de huellas dactilares” y es la zona más compleja (útil para identificación). Es una técnica más reciente,
mide sobretonos y combinaciones de frecuencias vibracionales fundamentales (No mide bandas
fundamentales; son transiciones prohibidas y por lo tanto más improbables). Posee espectros menos
distintivos (de la sustancia) y bandas más anchas que en MIR (hay superposición y efectos de matriz). La baja
absortividad conduce a la utilización de un mayor camino óptico lo cual es importante en el control de
procesos o productos, ya que son más representativos de todo el material (utiliza más muestra para que sea
representativa). Es una técnica adecuada para medir propiedades de la materia, no influye el H2O o impurezas
en la medición.
Cuando incide una radiación NIR, algunas uniones vibrando absorben rayos NIR de cierta frecuencia, mientras
el resto de las frecuencias incidentes son reflejadas. La muestra se irradia a varias longitudes de onda, algunas
radiaciones son absorbidas por uniones químicas específicas (absorción NIR), otras son reflejadas (reflectancia
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NIR), si el camino óptico es largo y algunos rayos pasarán a través del material (transmitancia NIR, NIT), si el
material es transparente. Entonces puedo medir: intensidad de irradiación absorbida (NIR); puedo ver la
energía que atraviesa el material y no es absorbida (NIT); puedo ver el reflejado de energía (lo que no se
absorbió, pero que más adelante puede ser absorbido), que queda circulando por el material, la energía es
reflectada en cualquier dirección con determina intensidad (NIR).
La radiación reflejada y/o transmitida es medida con un detector y procesada. La reflectancia no es sólo a nivel
de superficie, sino que penetra en la muestra (dependiendo de la potencia de la fuente de radiación).La luz
que no es absorbida es reflejada en todas las direcciones y a su vez esta puede ser absorbida o reflejada por
otras uniones químicas hasta una porción sale de la muestra en todas direcciones reflejada. En NIT el detector
se ubica detrás de la muestra (ideal para líquidos transparentes y material de baja densidad óptica). No es
necesario el procesamiento de la muestra
Aplicaciones NIR
• Su aplicación más importante es el análisis de especies de bajo peso moléculas. Es menos útil que MIR para
la identificación.
• Control de procesos: humedad en liofilizados; seguimiento de procesos de secado
• Análisis de contenidos de proteína en alimentos
• Humedad en semillas
• Astronomía, se obtiene información espectral estelar
• Monitoreo remoto, control de suelos y plantas
• Métodos medicinales no invasivos (oximetro, imágenes sobre tejidos, medición del tamaño de partículas,
etc)
• Características ópticas de nanoparticulas y recubrimientos, medidas de espesores de films (materiales)
Dificultades NIR
Si bien es muy rápido y sencillo de operar, la clave está en la calibración. Se debe procurar un número ideal de
muestras que representen la mayor variedad de parámetros medibles, se miden con métodos químicos
tradicionales y se obtienen valores de reflectancia por NIR los cuales se analizan con algún modelo de
quimiometría (multivariable). Es importante la mantención de la calibración y el análisis de un número de
muestras representativas.
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RAMAN
Se analiza lo que se puede observar, a través de la iluminación con un láser.
Efecto Raman (dispersión inelástica de fotones): Frente a una excitación con laser de una muestra, la mayoría
de los fotones son dispersados sin cambiar la longitud de onda (igual energía con la cual incidieron en la
muestra), esta es la dispersión elástica de Rayleigh (el fotón sale con la misma energía con la que entro).
Cuando un fotón sufre dispersión inelástica (con cambio de energía al salir), se produce el efecto Raman. A su
vez el efecto raman se divide en dispersión en Stokes (los fotones excitados no vuelven al estado fundamental,
sino a un estado basal excitado) y Anti-Stokes (los fotones son excitados desde un estado basal superior a un
nivel de energía virtual excitado que cuando se desexcitan vuelvenal estado original, es decir se emite una
energía diferente a la absorbida).
Ventajas
• No es destructivo, a menos que el láser tenga mucha potencia (que puede ocurrir en muestras oscuras)
• Sencillo: poca preparación de muestra o nada, sin contacto con la muestra (se puede utilizar fibra óptica, le
disparo con un laser), estudios a altas temperaturas, medición in-situ en envases de vidrio (si se tienen
muestras envasadas)
• Identificación de contaminantes pequeños (mejor que MIR para análisis cualitativo)
• Dan bandas bien definidas que no son las mismas del MIR, pero si son características de mi sustancia y son
más definidas que las de mi MIR
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Interferencias
• NIR: humedad, materiales de algunos recipientes, propiedades físicas de las muestras
• RAMAN: principal interferencia, fluorescencia (emisiones de banda ancha mucho más intensa que la señal
RAMAN, puede oscurecer por completo la dispersión RAMAN, depende también del laser a usar). Modos de
evitarlo: seleccionar un láser de excitación que no genere fluorescencia en la muestra y disponibilidad de
múltiples láseres de excitación. La intensidad de la señal RAMAN está directamente relacionada con la
potencia del láser, una elevada potencia puede dañar la muestra.
Aplicaciones
Raman es una técnica nueva, en desarrollo, no tan disponible para las aplicaciones industriales, de costo
elevado, con dificultad por los láseres usados.
• Avances: acople a microscopios electrónicos. Se puede focalizar el láser en un punto exacto (análisis de
documentos, obras de arte), si hay daño en la muestra es mínimo
• Análisis in situ o in vivo por fibras ópticas
• Resonancia RAMAN: ampliación de intensidad de señal selectiva (para aumentar la señal y obtener un mejor
espectro)
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