19/08/2013

1

Espectroscopía infrarrojo

cercano

19/08/2013

2

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:

19/08/2013

3

F = -k r Ley de Hook F = m x a 1º ley de Newton -k r = m x a -k r = m x d2 r Ec. diferencial. Ec. del movimiento del d2t2 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

t

r

-a

a

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

t

m 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

19/08/2013

4

u= 1 √(k/m) m: masa reducida m = M1 M2/M1 + M2

2pc k: constante de fuerza Si k aumenta, el resorte es mas fuerte aumenta u

Ej: C-C 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 m = 16 x 1 /16+1 = 0.94 CH3OD m = 16 x 2 /16+2 = 1.77 La frecuencia de la vibración es menor

19/08/2013

5

Ej: C=O, molécula lineal 3N-5= 1 streching

O=C=O, 3N-5= 4 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

19/08/2013

6

modo simétricolos tres se estirany contraen en fase

HH

H

C

modo asimétricodos se estiran y unose contrae

H

H

H

C

2962 cm-1 2872 cm-1

HH

H

C

H

H

H

C

modo asimétrico modo simétrico

1450 cm-1 1375 cm-1

C CH

H

H

H

modo asimétrico modo simétrico

1350 cm-1 1150 cm-1

modos fuera del plano

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.

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 3n-6 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.

19/08/2013

7

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.

19/08/2013

8

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

19/08/2013

9

Espectro IR del ciclobutanol

Espectro IR de la butanona

19/08/2013

10

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.

19/08/2013

11

• 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.

19/08/2013

12

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.

19/08/2013

13

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.

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

•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

19/08/2013

14

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 600-820 1175-1250

C2Cl4 750-950

C6H6 benceno 600-750 3000-3100

CH2Cl2 600-820 1200-1300

ACETONA 1100-1850 2800-3000

DMSO 900-1100

TOLUENO 600-750 2800-3200

19/08/2013

15

Preparación de una muestra sólida en disolución de KBr

19/08/2013

16

Espectroscopía infrarrojo cercano (NIR)

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

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

19/08/2013

17

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, O-H 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.

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.

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

19/08/2013

18

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).

19/08/2013

19

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.

19/08/2013

20

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

Equipo a constante

Equipos para barrido de

Con y sin TF

Balanza de humedad

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,

19/08/2013

21

Espectro NIR de sacarosa cristalina: