Fundamentos de Técnicas espectroscópicas: UV, FTIR y

Fundamentos de Técnicas espectroscópicas:
UV, FTIR y Raman
Héctor Torres Q.F. U.N.
Director Científico
Purificación y Análisis de Fluidos Ltda.
1
Contenido
• Conceptos de radiación y Espectroscopia
• Componentes de un espectrometro Raman
• Información que genera RAMAN
• Fortalezas y Debilidades de la Espectroscopia RAMAN
• Aplicaciones de la Espectroscopia RAMAN
• Comparación de la Espectroscopia RAMAN con otras
técnicas
• Instrumentos Disponibles
• Software Cuanlitativo
• Software Cuantitativo
Conceptos de
radiación
Radiación electromagnética
• Combinación de campo
eléctrico y campo
magnético
• Dualidad onda partícula
• Se manifiesta como:
•
•
•
•
•
Calor radiado
Luz Visible
Rayos X
Rayos Gama
Ondas de Radio o
televisión
Teoria del color
• Roger Bacon 1250
• Isaac Newton 1671
• Joseph Fraunhofer
Teoria del color
• Roger Bacon 1250
• Isaac Newton 1671
• Joseph Fraunhofer
Espectros
• Robert Wilhem Bunsen
y Gustav Robert
Kirchhoff
Espectros
• Robert Wilhem Bunsen
y Gustav Robert
Kirchhoff
Espectroscopia
• Niels Bohr 1913
Espectroscopia
• Niels Bohr 1913
Rayleigh
• Oscilación de la nube de
electrones de una molécula
– Polarizada o deformadaOscilará con la frecuencia de
la luz incidente. Re emisión
o dipolo oscilante que radia.
Efecto Raman
• Chandrasekhara
Venkata Raman 1928
nobel 1930
Dispersión Raman
Desplazamiento Raman
• La magnitud del
desplazamiento
Raman es
independiente de la
longitud de onda de
excitación
Fluorescencia Vs Raman
• Fotón se absorbe = Fluorescencia
• Foton perturba = Raman
Que es la Espectroscopia Raman?
• Es una forma de espectroscopia molecular, referente a la
dispersión de la radiación electromagnética a través de los
átomos o moléculas. La señal Raman es una invaluable
herramienta para hacer identificación de “huella digital”
molecular.
• Ventajas
• Poca o casi ninguna preparación de muestra
• Desarrollo de análisis directos a través de contenedores transparentes
(bolsas plásticas o vidrio)
• Disponible para análisis Cualitativo y Cuantitativo
• Altamente selectiva
• Insensible a la absorción de bandas acuosas
Principios
• Provee información vibracional, complementaria al IR pero con
diferentes reglas de selección:
• Fuertes en Raman: Modos simétricos: ciclo hexano, cloruro de
carbono, iso propanol, benceno y sus derivados, polímeros con enlaces
(C-O)
• Fuertes en IR: Modos asimétricos: agua, dióxido de carbono, alcoholes,
acetonas, polímeros con grupos funcionales (C=O)
• Raman es menos sensible al agua que el IR
• Proceso de dispersión, no de absorción
• La ley de Beer no aplica, la longitud de paso no es relevante, se
requiere estándares internos para el trabajo cuantitativo
• Aplica para muestras solidas, liquidas, gaseosas, viscosas, etc.
Principios
• Efecto débil (≈1 en 10⁸ fotones desviado)
• La filtración de la luz del laser (Rayleigh) es critica
• La fluorescencia a menudo interfiere, sobre todo con muestras oscuras
• Compensación entre la señal (Max con el laser mas azul) y fluorescencia
(Min con el laser mas rojo)
• Usa la luz en la región visible o en NIR
• Se pueden usar celdas de vidrio y ópticas
• Se puede usar fibra óptica (muestreo remoto, multiplexacion)
• Excitación del laser
• Permite el muestreo sin contacto (muestras estériles o peligrosas)
• Flexible al tamaño de la muestra (Micras a pulgadas), depende de la óptica
• Detección por CCD
• Permite simultáneamente la multiplexación
Componentes del espectrómetro Raman
• Fuente: Laser
• Energía altamente concentrada
• Diferentes longitudes de onda: Ar (488, 514,5nm), Kr (530,9 647,1nm), He-Ne
(632,8nm) de Diodo (785, 830 nm) y Nd:YAG (Nodidium-doped Yttrium
aluminium garnet: 1064 nm)
• Filtro Notch elimina Luz Rayleigh y deja pasar Stokes y anti Stokes
Selección de la Longitud de onda de excitación
• 532nm. Señal Raman mas fuerte, pero
mas problemas de fluorescencia.
• 785nm. Buen balance entre desempeño del
detector e intensidad de señal Raman.
• 1064nm. Baja Fluorescencia pero el desempeño del
detector es bajo comparado con CCD y la intensidad de la
señal RAMAN es baja.
TE Sensor con Enfriamiento
Estabilidad de la línea base vs. temperatura
40
2000
40
Relative Intensity
Temperature
1800
30
1200
1000
25
800
20
600
400
Series2
200
Relative Intensity (count)
Relative Intensity (count)
1400
Temperature (°C)
35
1600
35
1600
30
1200
25
800
20
15
400
10
0
15
Series1
0
0
1
2
3
Time (hour)
No-Enfriado
4
5
6
10
0
1
2
3
4
Time (hour)
Enfriado y regulado
5
Temperature (°C)
2000
70000
70000
60000
60000
Relative Intensity (count)
Relative Intensity (count)
TE Sensor con EnfriamientoReducción de señal oscura
50000
40000
30000
20000
50000
40000
30000
20000
10000
10000
0
0
0
500
1000
1500
Pixel
A temperature ambiente 25℃
2000
0
500
1000
1500
2000
Pixel
Enfriado a 10℃
Señal oscura con tiempo de integración 60 Seg.
Sonda de Fibra Óptica
Contacto directo con la muestra o estacionaria.
La luz de la fibra de excitación es filtrada para prevenir interferencia de la
señal Raman de la Sílica.
La luz colectada por la segunda fibra es filtrada para remover longitudes de
onda del laser de excitación.
Las fibras disminuyen el desempeño del sistema
• NOTCH
• EDGE
• NExT
Como seleccionar la herramienta adecuada para leer
la muestra
• Microscopio
• Acesorios, e.j. soporte para
vial
• Sonda grado laboratorio
Raman
• Sonda grado Industrial
Raman
• Celda de Flujo.
Información del Espectro Raman
El cambio o “Raman Shift”
Independiente de la salida del laser
La Longitud de onda de excitación es determinada por las
necesidades analíticas y de la muestra (evitando la
interferencia por fluorescencia con mayores longitudes de
onda)
Intensidad Raman
Depende de la longitud de onda del laser
A mayores longitudes de onda de excitación, menores
conteos de picos Raman (a la misma potencia de salida)
El espectro Raman
Un espectro Raman es un grafico de la intensidad de la radiación
dispersada Raman como una función de la diferencia de frecuencia
entre dicha radiación con la radiación incidente (por lo general en
unidades de Onda, cm-1). Esta diferencia se llama el cambio o “Raman
shift”
Datos de Microscopio
Información que Ofrece Raman
Frecuencias características
de Raman
Composición del
Material
Cambios e la frecuencia de
un pico Raman
Estado de estrés o
tensión
Polarización de un Pico
Raman
Orientación y simetría
de un cristal
Ancho de Pico Raman
Calidad de un cristal
Fortalezas de la Tecnología Raman
• Muestreo flexible: compatible con fibra óptica, celdas de vidrio, empaques
transparentes.
• Contiene alta información, incluso información no composicional como
polimorfismos, cristalinidad, orientación, tamaño de partícula.
• Puedes ser usado para analizar soluciones acuosas sin interferencia con el
agua (como ocurre en el FTIR o NIR)
• Generalmente robusto a la temperatura
• No necesariamente requiere Quimiometría, por lo tanto, valiosa en el
trabajo de investigación y desarrollo
• Muy poco o ninguna preparación de muestras
• Aplicable a muestras de varias estados (solido, liquido, gas), muestras muy
pequeñas o ubicaciones especificas en una muestras (Trabajo- Micro)
Debilidades de la Tecnología Raman
• Señal débil (Eficiencia ~10-⁸): Típico NDD ~0,1%
• Interferencia de fluorescencia
• El calentamiento de la muestra o foto-blanqueo puede
interferir; No permite examinar materiales negros o
altamente coloreados
• Alto contenido de información (Interferencias)
• La fuente de laser puede tener fluctuaciones
• Necesita de un estándar interno o de estandarización para
trabajo cuantitativo
Aplicabilidad de la Espectroscopia
Raman
Aplicaciones
• Biomédica
• Estudios in vivo e in vitro
de la piel
• Estudios de transferencia
trans dérmica de
fármacos
• Identificación de cáncer
• Estudios de Hueso
• Dientes
• Arteriosclerosis intra
coronaria
• Estudios en el ojo
Aplicaciones
• Forenses
• Abuso de drogas
• Explosivos
• Identificación de
insumos de drogas
• Cabellos, fibras, virutas
de pintura y tintas.
Aplicaciones
• Petróleos
• Agrietamiento
• Extracción de solventes
• Materiales de
producción BTEX
(Benceno, Tolueno,
Etileno y Xileno)
• Tratamiento C4
• Procesado de
aromáticos
• Mezcla
• Polímeros
Aplicaciones
• Farmacéuticas
• Identificación de materia
primas en mulles,
dispensario y almacenaje
• Seguimiento en tiempo
real de granulación,
mezcla, secado y
recubrimiento.
• Análisis no destructivo de
tabletas, cápsulas de gel y
formulación líquida
Aplicaciones
• Polímeros
• Composición
• Control de reacciones
de polimerización
• Bloqueo y formación
de Co polímero
Aplicaciones
• Nano tecnología
• Propiedades físicas del
carbono
• Tamaño, longitud y
radio de nanotubos
• Incorporación de
Dopantes
Aplicaciones
• Semiconductores
• Composición de material,
estructura y fuerzas
mecánicas
• Acoplamientos a
microscopia,
investigación a pequeña
escala: Micro electrónica
• Análisis de fallas o
defectos
• Procesos de cristalización
• Procesos de lavado
Aplicaciones
• Materiales extraterrestres
• Análisis químico de
composición mineral
• Análisis de orgánicos en el
suelo
• Identificación de fases
minerales de suelos y rocas
• Clasificación de Rocas
• Estado de oxidación
• Agua y Hielo en Marte
• Materiales de meteoritos,
material interplanetario y
cometas (Sonda Stardust de
la NASA)
Otras Aplicaciones
•
•
•
•
Arte y Arqueología
Gemología
Geología
Ciencias de la
alimentación
• Determinación de
componentes del medio
ambiente
• Industria del cristal y
porcelana