Espectroscopía infrarrojo - Departamento de Química Orgánica

19/08/2013
Espectroscopía infrarrojo
cercano
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Diagrama de Morse
Molecula diatómica:
A-B
R0: distancia interatómica normal
c) Ionization
La energía está cuantizada
A
A*
Tipo de excitación: depende de la energía entregada
-Rotacional (solo se observa en gases)
-Vibracional
E = h = hc/
-electrónica
El comportamiento de la molécula
diatómica se puede describir en
base al oscilador armónico cuántico:
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F = -k r
F=mxa
-k r = m
-k r = m
x
x
a
d2 r
d2t2
Ley de Hook
1º ley de Newton
Ec. diferencial. Ec. del movimiento del
oscilador armónico lineal
Solución (una de las posibles)
r = a sen √(k/m x t )
El incremento de la distancia (r)
respecto de la distancia de equilibrio es
función periódica del tiempo, t, de forma
sinusoidal
r
a
t
-a
m
t
También se puede escribir r = a sen (2put)
2put = √k/m t
u= 1 √(k/m)
u: frecuencia
2p
u= 1 √(k/m)
u: número de onda
2pc
u= 1 √(k/m)
m: masa reducida
m = M1 M2/M1 + M2
2pc
Momento dipolar: m = q x d (carga por distancia)
Si la distancia tiene una dependencia sinusoidal del tiempo, el
momento dipolar también. Cuando una molécula diatómica
heteronuclear vibra, se genera un momento eléctrico dipolar
oscilante, que emite radiación electromagnética de la misma
frecuencia que la de la vibración. Análogamente, una molécula
expuesta a una radiación electromagnética puede absorber energía
de la frecuencia coincidente con la de la vibración y vibrar con un
aumento de la amplitud!
FH, CO, NO
Moléculas diatómicas heteronucleares
Tienen me ≠ 0, mayor o menor según la diferencia de electronegatividad
entre los 2 átomos. Entonces al vibrar me varía y emiten radiación
electromagnética. También absorben en presencia de la radiación de la energía apropiadada.
Dan lugar a una banda de absorción en el espectro infra-rojo, de una u dada . Además
aparecen otras bandas mas débiles situadas a 2 u, 3 u, etc., llamadas armónicos o sobretonos,
y que se deben a que las vibraciones moleculares no son estrictamente armónicas.
H2, O2, N2, F2
Moléculas diatómicas homonucleares
No tienen momento dipolar permanente (me = 0) pues la distribución
electrónica del enlace es simétrica respecto del centro del enlace. Al vibrar la malécula su m
sigue siendo = 0 , por lo tanto no hay absorción de radiación electromagnética, porque no hay
dipolo oscilante. No presenta bandas en el IR
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u= 1 √(k/m)
2pc
m: masa reducida m = M1 M2/M1 + M2
k: constante de fuerza
Si k aumenta, el resorte
Ej: C-C
es mas fuerte
aumenta u
800-1200 cm-1
C=C
1600-1680 cm-1
C≡C
2100-2250 cm-1
Si m disminuye, aumenta u (efecto isotópico)
Ej: CH3OH
CH3OD
m = 16 x 1 /16+1 = 0.94
m = 16 x 2 /16+2 = 1.77
La frecuencia de la vibración
es menor
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Ej: C=O, molécula lineal 3N-5= 1
O=C=O, 3N-5= 4
streching
tensión simétrica
tensión asimétrica
flexión en el plano
flexión fuera del plano
Las vibraciones de flexión son degeneradas.
Las vibraciones de tensión aparecen a frecuencias mayores
Ej: H2O
3N-6= 3
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Una molécula puede ser modelada como un sistema de osciladores
acoplados, descriptos aproximadamente por un movimiento armónico
cuántico. Por compleja que sea una molécula su modelo vibracional es
una combinación de sus modos normales de vibración. Cada modo
normal tiene su propia curva de energía potencial.
H
H
C
C
H
modo asimétrico
dos se estiran y uno
se contrae
2962 cm-1
H
H
H
H
H
C
C
H
modo simétrico
los tres se estiran
y contraen en fase
2872 cm-1
H
H
H
modo simétrico
1375 cm-1
modo asimétrico
1450 cm-1
H
H
C
C
H
H
modo asimétrico
1350 cm-1
modo simétrico
1150 cm-1
modos fuera del plano
Espectroscopia vibratoria
Una molécula compuesta por n átomos tiene 3n grados de libertad, seis de los
cuales son traslaciones y rotaciones de la molécula por sí misma. Esto deja 3n6 grados de libertad vibracional (3n-5 si la molécula es lineal). A los modelos
vibracionale usualmente tienen nombres característicos como "stretching",
"bending", "scissoring", "rocking" y "twisting". La molécula de 4 átomos de
formaldehido, cuyo espectro en fase gaseosa se muestra, provee un ejemplo
de estos términos.
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La frecuencia exacta a la que ocurre una vibración, es función de la fuerza de los enlaces en
cuestión y la masa de los átomos. En la práctica, el espectro infrarrojo no muestra
normalmente señales de absorción separadas para cada uno de los 3n-6 modos de vibración
de una molécula. El número de absorciones se puede incrementar por una suma y substracción
de interacciones que resultan en una combinación de tonos de las frecuencias fundamentales
de vibración.
Además el número de absorciones observadas puede ser menor por simetría molecular,
limitaciones del espectrómetro y reglas de selección espectroscópicas.
Una regla de selección que influencia la intensidad de las absorciones infrarrojas, es que un
cambio del momento en un dipolo debe ocurrir para una vibración y absorber la energía
infrarroja. Las bandas de absorción asociadas al enlace C=O "stretching" son usualmente muy
fuertes porque un cambio muy grande del dipolo sucede en ese modo. Para el etileno, en
cambio, las bandas se observan en la misma frecuencia (fuerza de enlace comparable), pero
son bandas de poca intensidad.
Regiones típicas de un espectro IR
La frecuencia exacta de una transición para un enlace determinado va a depender entre
otras cosas de la fuerza del enlace y de la masa de los átomos en los extremos del enlace
Notar que las regiones coloreadas de azul por arriba de la linea punteada se refiere a
"stretching vibrations", y la banda verde coloreada debajo de la línea punteada se refiere a
las vibraciones "bending". La complejidad del espectro infrarrojo en la región de 1450 a 600
hace difícil asignar todas las bandas de absorción, y dados los patrones únicos encontrados
aquí, es comunmente llamada la región fingerprint (huella digital en español). Las bandas de
absorción que están en la región de los 4000 a 1450 son usualmente debidas a vibraciones
"stretching" de unidades diatómicas, y a veces es llamada la región frecuencia de grupo.
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ZONAS CARACTERISTICAS DE ABSORCION INFRARROJA
Todos los enlaces de una molécula van a sufrir transiciones vibracionales, cada
una con una frecuencia determinada y característica, y cada una de estas
transiciones va a provocar una banda de absorción
El espectro IR va a registrar todas estas bandas
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Espectro IR del ciclobutanol
Espectro IR de la butanona
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Espectro IR del isobutiraldehido
Son importantes: Intensidad de la banda, forma y la u
Para cuantificar vario componentes, se elige una  para cada uno
Si a una  contribuyen varios componentes,
Atotal= ∑ eici d y se arman n ecuaciones con n incógnitas.
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•
Una de las grandes ventajas de la espectroscopía por infrarrojo es que virtualmente,
cualquier muestra en cualquier estado puede ser estudiada. Líquidos, soluciones,
pastas, polvos, películas, fibras, gases y superficies, pueden ser examinadas eligiendo
un buen modo de muestreo.
•
Los espectrometros han estado comercialmente disponibles desde 1940. En ese
tiempo, los instrumentos utilizaban un prisma como elemento de dispersión, pero a
mediados de 1950, las rejillas de difracción, se introdujeron en los 1nstrumentos de
dispersión. Los avances mas significativos en la técnica, llegaron como resultado de la
introducción de la Transformada de Fourier en la espectrometría. Éste tipo de
instrumentos utiliza un interferómetro (inventado por Albert Abraham Michelson), y
explota el proceso matemático de la Transformada de Fourier. La espectrometría por
infrarrojo por transformada de fourier, incrementó dramáticamente la calidad de los
espectros infrarrojos y minimizó el tiempo para adquirir la información.
Espectrofotómetros IR
Dispersivos: utilizan redes o prismas y se mide punto a
punto la energía emergente de la muestra (luz ransmitida
en función de .
No dispersivos: utilizan interferómetro ((luz transmitida
en función de t) Transformada de Fourier
Rapidez
Precisión
Sensibilidad (repetición de experimentos y suma
de espectros)
•
El proceso de muestreo depende en gran medida del tipo de muestra que será
examinada, si se encuentra en estado sólido, líquido o gaseoso.
FT IR
Los componentes básicos de un espectrómetro FT IR, se muestran en la figura. La radiación surge de la
fuente y es pasada a través de un interferómetro a la muestra antes de alcanzar el detector. Se hace
una amplificación de la señal, en donde se eliminan las contribuciones de alta frecuencia por un filtro, la
información se convierte en forma digital -ceros y unos-, por un convertidor analógico digital y pasado a
la computadora para aplicar la Transformada de Fourier.
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FUENTE: debe ser de intensidad elevada y constante
La fuente de radiación IR puede ser una cerámica contaminada con óxidos de
Zirconio, Torio y Cesio, conocida como filamento de Nerst. Esta cerámica es
calentada al rojo eléctricamente hasta 1000-1800 ºC y entonces emite en el rango
de energías del IR
Otra fuente de radiación es el Globar, que es una pequeña esfera de carburo de
silicio, que al ser calentada al igual que la anterior, emite una radiación de amplio
espectro que va desde los 5500 cm-1 hasta los 600 cm-1. El Nerst en cambio,
muestra un espectro de energía o frecuencia que va desde 7100 cm-1 hasta los 550
cm-1. Estos rangos de frecuencia son más que suficiente para los espectroscopistas
orgánicos. Ellos necesitan el rango que va desde los 4000 cm-1 hasta los 650 cm-1
aproximadamente. Sin embargo en los 2 caso la intensidad disminuye al aumentar
, y llega a ser muy pequeña a 10 mm.
Además los equipos modernos pueden presentar un láser (He-Ne) que permite la
medición muy precisa de la longitud de onda, a través de la medición de la posición
del espejo móvil.
LA DETECCION: se basa en detectar el calor producido, ya que la luz involucrada
es de baja energía, y esto dificulta su medición precisa. Se utilizan termocuplas:
formada por una junta de 2 materiales diferentes. Cuando la energía radiante se
enfoca en esa junta, debido a la diferentes características de los 2 metales, un
lado de la junta se calienta más que el otro. Esta diferencia de energía térmica
provoca una corriente de e- y da como resultado un pequeño V, proporcional al
calor incidente.
Interferómetro de Michelson
El interferómetro mas usado en la espectrometría FT IR, es el de Michelson, que consiste en dos espejos
colocados perpendicularmente, uno de los cuales puede moverse en dirección perpendicular al plano. Una
película semi-reflectante, el beamsplitter, "parte" a la luz en dos y bisecta el plano en el que se encuentran
los otros dos espejos. El material del beamsplitter se elige de acuerdo a la región del espectro que se
quiere examinar. Materiales como el germanio u óxido de hierro se cubren con una capa de substrato
"transparente al infrarrojo" como el bromuro de potasio ó yoduro de cesio para producir beamsplitters
para la región media y cercana al infrarrojo. Delgadas películas como el poly(ethyleneterephthalate), se
usan en para el lejano-infrarrojo.
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Éste método se basa en la idea de causar una interferencia entre dos rayos de luz
infrarroja, para hacer un "interferograma". Lo último es una señal producida como
función del cambio de las distancias recorridas entre los dos rayos. Los dominios de
distancia y frecuencia, son interconvertibles a través de la transformada de Fourier.
Ventajas de IR-TF:
•Todas las  se miden al mismo tiempo (estabilidad fuente,
rapidez, suma o acumulación de espectro)
•La cantidad de energía que alcanza el detector es mayor
por el fenómeno de interferencia: sensibilidad, análisis de
trazas, microespectroscopía
Transformada de Fourier
•Precisión en la medición de las frecuencias: Cada 
corresponde a una posición del espejo móvil, y se mide con
el láser
•Posibilidad de acoplar a CG o HPLC
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La celda o porta-muestra, puede ser según el propósito, para analizar gases, líquidos y
sólidos. En gases, las celdas disponibles tienen entre 10 y 40 cm de longitud y los
espectros en estos casos son el resultado del paso, a través de la celda con múltiples
reflexiones, de manera que, en realidad la luz ha recorrido muchas veces la longitud de la
celda antes de llegar al detector. De los líquidos pueden ser obtenidos los espectros en ya
sea compuestos puros o en soluciones diluidas de aquellos. Los líquidos puros se colocan
entre dos placas de bromuro de sodio (se pueden lograr espesores de hasta 0,01 mm o
menores). Las soluciones diluidas son colocadas entre dos ventanas de cloruro de sodio o
bromuro de sodio, rodeadas de anillos espaciadores que delimitan las celdas
espectroscópicas a algunas fracciones de milímetro de espesor. En estos casos deben ser
muy bien seleccionados los solventes a utilizar. El CCl4 y el CS2 son complementarios en
estas tareas. Ambos solventes son invisibles en regiones sobre los 1333 cm-1 para el CCl4 y
bajo los 1333 cm-1 para el CS2. Pueden hacerse muchas combinaciones de solventes que
cubran diferentes ventanas entre los 4000 cm-1 y los 600 cm-1. (Ventana es aquella porción
del espectro IR, en el cual el solvente tiene una muy baja absorción de radiación, es decir,
es trasparente a la radiación infrarroja). En todos los casos las paredes del contenedor de
la muestra deben ser transparentes a todo el rango de la radiación (4000-600 cm-1). Esto
se consigue con ventanas hechas de cristales de Bromuro o Cloruro de sodio.
SOLVENTE
Región no útil cm -1
Región no útil cm-1
CHCl3
C2Cl4
C6H6 benceno
CH2Cl2
ACETONA
DMSO
TOLUENO
600-820
750-950
600-750
600-820
1100-1850
900-1100
600-750
3000-3100
1200-1300
2800-3000
1175-1250
2800-3200
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Preparación de una muestra sólida en disolución de KBr
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IR cercano: sobretonos y combinaciones lineales de modos vibraciones fundamentales, 0.8-2.5 mm
IR medio: vibraciones fundamentales, 2.5-25 mm
IR lejano: movimientos rotacionales, 25-1000 mm
Espectroscopía infrarrojo cercano (NIR)
La Ciencia de los Alimentos ha utilizado mas frecuentemente la espectroscopía de IR cercano,
pues históricamente fue la primera en poder aplicarse a materiales heterogéneos, como es el
caso de los alimentos. Posteriormente, con el advenimiento de la TF, el IR medio (mas
sensible, mayor resolución, mayor facilidad para la asignación) mostró el potencial de esta
técnica para materiales heterogéneos.
Los alimentos generalmente tienen un gran contenido de agua, que absorbe intensamente en el
IR medio, resultando una transmisión pobre, y mucha dispersión: detección pobre, tiempos
largos de adquisición. El advenimiento del IR TF dio la posibilidad de proveer mas energía a la
muestra y al hacer barridos rápidos, poder sumarlos, y así obtener una relación señal-ruido
aceptable, y eliminar la absorción del agua por sustracción espectral (supresión). Solucionados
estos problemas el IR medio posibilita mejores asignaciones y resoluciones que el IR cercano.
En el IR lejano puede obtenerse información por ej. del grado de vibración rotacional del agua
y evaluar en base a esto la humedad de una muestra. También se estudian los movimientos de
moléculas, como polímeros, y se relaciona con el peso molecular
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Bases del Infrarrojo Cercano
Durante más de 30 años la Espectroscopia en el Infrarrojo Cercano (NIR) ha sido usada como
una técnica analítica rápida para alimentos, granos y otros productos agrícolas. El NIR permite
análisis rápidos y no destructivos sin necesidad de reactivos o metodologías complejas. Incluso
es tan sencillo como para ser operado por personal no técnico.
En el sentido más simple, los análisis NIR se realizan iluminando una muestra con luz en la región
espectral del infrarrojo cercano y analizando la luz con la que ha interaccionado. La luz de una
longitud de onda determinada interacciona con los componentes químicos específicos presentes
en la muestra. Por ejemplo, midiendo la absorción en aquellas longitudes de onda que
interaccionan con las proteínas es posible determinar el porcentaje de proteína presente en una
muestra.
Determinaciones usuales: H2O, proteínas, lípidos, hidratos de carbono
Los instrumentos NIR precisan de calibraciones para analizar muestras. Estos instrumentos se
han concebido para recoger datos de los espectros de muestras de composición conocida y
aplicando entonces técnicas quimiométricas que relacionan los datos de los espectros con la
composición química. Se dispone de calibraciones estándar para muchos productos disponiendo de
un programa opcional para desarrollar nuevas calibraciones.
Los espectros NIR contienen información abundante. las bandas
de absorsión se deben a la combinación lineal y sobretonos (n)
de bandas fundamentales de absorsión de las uniones C-H, OH and N-H de las moléculas químicas del material a analizar.
Los espectros son complejos, y la superposición de bandas hace
que se vean como un continuo.
La interpretación es dificil, pero una vez identificada una
banda es muy sencillo cuantificar en base a la intensidad de la
misma.
El NIR es parte de la región del espectro electromagnético comprendido entre los 700 a 2500
nanómetros, y es la porción del espectro en el cual las muestras observan una baja absorción
comparado con otras regiones del infrarrojo. La baja absorción permite que la radiación
infrarroja penetre muestras sin preparación, modificación o dilución. La radiación incidente
provoca la vibración de los enlaces covalentes de las uniones Carbono – Hidrógeno, Oxígeno –
Hidrógeno y Nitrógeno – Hidrógeno.
El NIRS se caracteriza por ser un método no destructivo, no contaminante y rápido para
el análisis de pasturas, raciones, silo, y otros productos agrícolas.
Figura 1. Espectro NIRS de materias primas
recogidos en el equipo Foss NIRSystem
6500 con diferentes contenidos en Aflatoxina
B1: 1. no contaminada; 2. contenido entre 20
y 50 ppb, 3. contenido superior a 50 ppb.
AA= aminoácidos
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Figure 4. Sulfamethazine
absorbance scans showing
spectral shift with tablet
crushing strength for tablets
with crushing strengths
ranging from 10.1 kP to 15.6
kP
Figure 5. Second
derivative scans for
neat sulfamethazine,
corn starch, and
magnesium stearate
powders as received
from supplier.
Figura 3. Espectro infrarrojo de muestras de ensilaje de maíz (línea punteada) y
desviación estándar de los espectros (línea entera).
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Reflectancia NIR vs. Transmisión NIR
En la práctica, la muestra a ser analizada es bombardeada con rayos NIR de diferentes longitudes
de onda. Por cada longitud de onda, algunos de los rayos serán entonces absorbidos por uniones
químicas específicas. Al mismo tiempo, otros rayos serán diseminados y reflejados por otras
uniones químicas. Este proceso es comúnmente descrito como Reflectancia NIR. En contraste,
algunos de los rayos pasarán a través de la muestra, lo cual es denominado Transmisión NIR (a
menudo referida como NIT).
La Transmisión NIR, donde el detector está ubicado detrás de la muestra, es ideal para líquidos
transparentes y algunos productos que no son demasiado densos ópticamente. Productos tales
como muestras de girasol, canola y tierra, que son ópticamente tan densos que permiten que sólo
una porción de rayos pasen a través de la muestra, que mediciones confiables son muy difíciles de
obtener por NIT. De manera subsiguiente, para mediciones NIT de estos productos, la muestra
debe ser vertida en células de muestreo con un tamaño de sólo 6mm. Vastenhoudt (1995) reportó
que se acepta generalmente que el análisis de granos intactos por Reflectancia NIR es más exacto
que por NIT. Williams y Norris (2001) adicionalmente indicaron que el análisis NIR de grano entero
por reflectancia, eliminó el largo de trayectoria como un error de fuente, lo cual sugiere por lo tanto
que la Reflectancia NIR antes que la NIT debe ser el principio de medición recomendado para tales
productos densos y mezclas que los contengan.
En la práctica, cuando se realiza un análisis en un instrumento NIR, el operador sólo tiene que
colocar la muestra en el recipiente para la misma, y presionar un botón para comenzar el análisis.
El análisis completo se imprime normalmente en menos de un minuto. Si esto es tan fácil, ¿por qué
entonces hay diferencia de opiniones sobre el campo de aplicación y precisión de los resultados
NIR? Ciertamente, no es una caja mágica que puede analizar cualquier elemento que se introduzca,
pero con el correcto desarrollo y mantenimiento de las calibraciones, esta técnica está siendo
rápidamente implementada como el mayor método de análisis rápidos del futuro.
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Optimizado para Grano, Harina, Alimentos y Piensos
DA 7200 es ideal para: Trigo - Almidón - Pescado Harinas - Fibra - Pienso para Vacuno o Porcino - Maíz Centeno - Grano - Avena - Sorgo - Leguminosas Líquidos - Cereales - Café - Mostaza - Malta - Colza Girasol - Snacks - Alfalfa - Tapioca - Pienso Avícola Cebada - Soja - Pienso - Triticale - Arroz - Guisante Harina de Soja - Caña de Azúcar - Té - Mantequilla Lúpulo - Leche en Polvo - Queso - Carne - Ensilaje de
Hierba - Harina - Heno - Pasta - Sémola - Piensos para
mascotas - Aleurona - Mijo - Helado - Fertilizantes - Suero
- Pellets - Semillas de algodón - Alimentos - Cacao Chocolate
Mediciones: Proteína - Humedad - Aceite y Grasa Dureza - Fibra cruda - Sal - Gluten - Almidón - Almidón
dañado - Azúcar - Energía metabólica - Sedimentación Digestibilidad - Lactosa - Fibra dietética - ß-Glucano Extracto VZ - Valor de Kolbach - NDF - ADF - Polaridad
Balanza de humedad
Equipo a  constante
Equipos para barrido de 
Con y sin TF
Figura 2. Espectro NIRS de dietas completas,
recogidos en el equipo Foss NIRSystem 6500 con
diferentes contenidos en Zearalenona: 1. no
contaminada; 2. contenido superior a 50 ppb,
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Espectro NIR de sacarosa cristalina:
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