Espectrometría

Química. Determinación de estructuras moleculares. Técnicas espectroscópicas. Espectroscopia de infrarrojos y fotoacústica. Métodos de transmisión. Reflectancia difusa y atenuada. Espectrómetros Raman. Instrumentación. Aplicaciones

  • Enviado por: Rafael Peinado Amores
  • Idioma: castellano
  • País: España España
  • 37 páginas
publicidad
cursos destacados
Máster en Inmigración y Mediación Intercultural
Ibecon
Requisitos académicos para acceder: mayores de 18 años
Solicita InformaciÓn

Máster Experto en Resolución de Conflictos
Divulgación Dinámica
El Máster Experto en Resolución de Conflictos lo forman dos titulaciones en una sola acreditación. Estas...
Solicita InformaciÓn

publicidad

ÍNDICE

1.INTRODUCCIÓN____________________________________________3

2.EVOLUCIÓN HISTÓRICA_____________________________________4

3.ESPECTROMETRÍA DE INFRARROJO____________________________6

3.1 INTRODUCCIÓN_____________________________________6

3.2 MÉTODOS DE TRANSMISIÓN___________________________7

3.2.1 MUESTRAS SÓLIDAS

3.2.2 MUESTRAS LÍQUIDAS

3.2.3 ESTUDIOS DE LA VARIACIÓN DE TEMPERATURA

3.2.4 GASES

3.2.5 DESVENTAJAS

3.3 REFLECTANCIA DIFUSA______________________________11

3.3.1 DESVENTAJAS

3.4 ESPECTROMETRÍA FOTOACÚSTICA______________________15

3.4.1 CELDA GAS-MICRÓFONO

3.4.2 DETECCIÓN PIEZO ELÉCTRICA

3.4.3 DESVENTAJAS

3.5 REFLECTANCIA ATENUADA TOTAL______________________22

3.5.1 MATERIALES DEL PRISMA

3.5.2 MUESTREO Y GEOMETRÍA DE LOS MATERIALES

DE ATR

3.5.3 DESVENTAJAS

3.6 CONCLUSIONES_____________________________________26

4.ESPECTROMETRÍA RAMAN____________________________________27

4.1 ¿QUÉ ES LA ESPECTROMETRÍA RAMAN?_________________27

4.2 ¿CÓMO OCURRE EL EFECTO RAMAN?____________________28

4.3 INSTRUMENTACIÓN__________________________________30

4.3.1 FUENTES

4.3.2 SISTEMAS DE ILUMINACIÓN DE MUESTRA

4.3.3 ESPECTRÓMETROS RAMAN


4.4 ESPECTROMETRÍA RAMAN DE T.F._____________________34

4.5 ¿QUÉ SE PUEDE APRENDER DE LA ESPECTROSCOPIA

RAMAN?___________________________________________36

4.6 ESPECTROSCOPIA RAMAN ACTIVADA POR

SUPERFICIE AUMENTADA_____________________________38

5. APLICACIONES DE LA ESPECTROSCOPIA IR Y RAMAN

LA QUÍMICA DE SUPERFICIES_____________________________39


1. INTRODUCCIÓN.

La química se interesa ante todo por la estructura y las transformaciones de las sustancias a nivel molecular.

En los últimos años ha habido un gran incremento en la evaluación de resultados de reacciones químicas determinado por un amplia rango de métodos físicos; con la ayuda de estas técnicas se ha abierto nuevos campos de investigación en áreas como inorgánica, orgánica y bioquímica, ya que estos métodos son muy eficaces.

La mayoría de los métodos físicos de determinación de estructuras moleculares pueden ser clasificados como miembros de una gran familia como es la difracción y la espectroscopia.

La determinación de estructuras en química orgánica se hace con técnicas espectroscópicas como son:

-Espectroscopia U.V.

-R.M.N.

-Espectroscopia IR

-Espectroscopia de Masas.

Para grandes biomoléculas y para las moléculas pertenecientes al campo de la química inorgánica, los métodos espectroscópicos pueden ser inadecuados.

Los métodos espectroscópicos son tienen mucha importancia en química analítica, y pueden ser bastante específicos a la hora de determinar los componentes de una mezcla y su proporción relativa. En este contexto la espectroscopia es usada ampliamente para ver las transformaciones que se producen en una reacción química de los reactivos a los productos.


2.EVOLUCIÓN HISTÓRICA.

Antes de la segunda guerra mundial solo la espectroscopia U.V. era usada habitualmente para análisis químico estructural o cuantitativo. Los resultados eran registrados por métodos fotográficos. La aplicación de estos métodos era para la caracterización de dobles enlaces conjugados en sistemas orgánicos, y también era usada por los biólogos e inorgánicos para determinar las transiciones electrónicas de los metales.

Aunque a finales de los años 30 la espectroscopia IR para análisis estructural era muy apreciada, los métodos experimentales tenían un desarrollo complicado para su aplicación de forma rutinaria.

La mayoría de las publicaciones de esta época referentes a la espectroscopia IR hacían referencia a la vibración ya que los espectros de rotación de pequeñas moléculas en fase gaseosa eran estudiadas mas por los físicos que por los químicos. Sin embargo a finales de los años 30 una cuantas universidades e industrias comenzaron a utilizar la técnica para análisis estructural.

Tampoco por esta época se utilizaba de forma general la espectroscopia Raman debido a la gran cantidad de muestra necesaria o de que nos se disponían de fuentes la suficientemente potentes como para que el efecto fuera observado con claridad (podía quedar enmascarado).

A final de la segunda guerra mundial el desarrollo en electrónica hizo posible la mejora de todas las espectroscopias:

-La espectroscopia U.V. visible se uso para la absorción electrónica, mientras que la detección fotométrica fue empezando a sustituir las laminas fotográficas, lo que dio lugar a una mejora de los resultados.


-La espectroscopia de IR mejoro gracias a la construcción de espectrofotómetros de doble haz, que junto con algunas mejoras hicieron posible la conversión de esta técnica en una técnica versátil utilizandose en análisis químico.

-Desde entonces han aparecido nuevas espectroscopias como la Resonancia Magnética Nuclear o la Resonancia Electrónica de spin.

-También vio la luz una nueva técnica como la espectrometría de masas.

Hay espectroscopias como IR que continúan desarrollandose en pos de conseguir mejores indices de sensibilidad y de sofisticación.

Un importante avance a mediados de la década de los 70, fue la incorporación de el ordenador a las espectrómetros lo que todavía a mejorado estas técnicas ya que por ejemplo hicieron posible la incorporación de las Transformadas de Fourier.


3. ESPECTROSCOPIA DE INFRARROJO.

3.1. INTRODUCCIÓN.

La espectroscopia IR es una técnica ampliamente reconocida en la obtención de información estructural de moléculas y para análisis.

La limitación más importante de la técnica era que las muestras tenían que estar puestas de una manera adecuada para la transmisión del rayo infrarrojo, de modo que aquellas muestran que dispersaran la luz o fueran opacas, no era adecuada.

Aunque los métodos de transmisión son muy importantes hoy en día y son usados como métodos de referencia por muchos espectroscopistas, las nuevas técnicas que han ido apareciendo, han ensanchado el campo de aplicación. Las técnicas mas comúnmente utilizadas son las siguientes:

-Reflectancia Difusa.

-Reflectancia total atenuada.

-Métodos fotoacústicos.

Estos métodos son los mas ampliamente utilizados y pueden producir espectros en cualquier tipo de muestra en y en cualquier forma física.


3.2. MÉTODOS DE TRANSMISIÓN.

Antes de la aplicación de las Transformadas de Fourier a la espectroscopia infrarroja los métodos de transmisión constituían la técnica mas común de análisis de muestra. Hoy en día todavía siguen usandose estos métodos y su uso está muy extendido. Sirven para el análisis de muestra líquidas, sólidas, disoluciones o gases.

El principio básico es el mismo para cada uno de estos métodos:

-La luz pasa a través de la muestra, y se compara la diferencia entre la intensidad incidente y la transmitida.

-La muestra esta contenida en una celda (cubeta o porta muestras), ya se en estado puro, en disolución o contenida en una matriz que no interfiera.

-En todos los casos la radiación incidente I0 llega a la muestra. (fig 1).

-Sin embargo no toda la energía de la radiación incidente llega a la muestra por que hay una componente R que se refleja y otra componente que se dispersa que es S.

-La energía medida por el detector I depende ademas de la absorción de la muestra de poder de dispersión y de la reflectancia.


-Aplicando la ley de Lambert-Beer obtenemos:

I=(I0 - R -S).10-E.C.l. donde:

-"E" es la absortividad molar

-"C" es la concentración

-"l" es la longitud del paso de luz (ancho de la cubeta).

3.2.1 MUESTRAS SÓLIDAS.

La técnica más usada para el análisis de muestras sólidas son las de pastilla. El procedimiento general es poner la muestra en una matriz transparente a la radiación como puede se el bromuro potásico.

Para ello la muestra se pone en una proporción de un 1% con Bromuro Potásico y se hace una pastilla con todo el conjunto. Esta pastilla se pone en una cavidad especial dentro del espectrofotómetro de modo que a ella llegue el rayo infrarrojo. Aunque hay que tener una serie de precauciones:

-La muestra debe estar completamente seca y debe evitarse que la pastilla este en contacto con vapor de agua, debido a la gran absorción que tiene el agua.

-La pastilla debe ser uniforme, de modo que toda la superficie debe ser regular, ya que sino aparecerán picos en el espectro debido a esta uniformidad.

Estas técnicas no son usadas para análisis cuantitativo, ya que es muy difícil reproducir el tamaño de muestra usado de una a otra determinación, o el espesor de la pastilla.

Una alternativa para el análisis cuantitativo consiste en la dispersión de la muestra en un material como la parafina y el conjunto se deposita sobre dos discos de sal (bromuro potásico).


Aunque el espectro presenta bandas adicionales debido al medio dispersor.

3.2.2. MUESTRAS LÍQUIDAS.

En general una celda líquida consiste en dos ventanas separadas por un espacio fijo o de longitud variable. Las celdas de longitud variable son desmontables, y una vez que se realiza el análisis, se pueden limpiar fácilmente. Hay un tercer tipo de celda en la que el espacio entre ventanas puede ser variada de forma continua mediante un pistón.

Las celdas líquidas se emplean generalmente en disoluciones pudiendose alcanzar buenos limites de cuantificación.

El principal problema es asegurarse que el paso de luz permanece constante durante una serie de análisis. Esto es de particular importancia cuando el disolvente utilizado es agua, ya que debido a la fuerte absorción del agua en infrarrojo es necesario utilizar longitudes de paso de lente muy pequeñas, inferiores a 10 micro metros, con el problema añadido de la difícil reproducibilidad. Incluso con este pasa de lente el agua absorbe y esto se manifiesta claramente en el espectro.

3.2.3. ESTUDIOS DE LA VARIACIÓN DE TEMPERATURA.

En el mercado hay celdas a las que se puede someter a un cambio de temperatura en muestras sólidas y líquidas. Para trabajar a temperatura ambiente la muestra se puede calentar al baño maría o mediante mantas eléctricas. Sin embargo para trabajar a temperaturas por debajo de la ambiente se colocan las celda en Nitrógeno líquido entre 77 y 273 grados Kelvin. Esta franja de temperatura se obtiene calentano después de haber obtenido el mínimo de temperatura.


3.2.4. GASES.

Los gases son normalmente analizados con una longitud de paso de unos 10 cm o en multipasos especiales de celda, llegando a 10m si las concentraciones son bajas. La presión a la que esta el gas es muy importante conocerla para análisis cuantitativo, donde la presión puede dar lugar a desviaciones en la ley de Lambert-Beer.

3.2.5. DESVENTAJAS.

Los métodos de transmisión generalmente requieren un cierto tratamiento de muestra:

-En aquellas muestras que requieren disolución es necesario que esta se lleve a cabo en el disolvente adecuado; y si estamos utilizando una celda de paso fijo es necesario asegurarse que la distancia no varíe para análisis cuantitativo.

-Los problemas asociados con dichas celdas incluyen la aparición de burbujas que dan lugar a bandas erróneas.

-También suele aparecer la banda del disolvente, pudiendo llegar a interferir. Esto se puede suprimir digitalmente en los casos en los que el paso de lente es muy pequeño (10 micrómetros), pero con el problema adicional de que son poco reproducibles.

-Otro problema es que las ventanas de las células no estén completamente paralelas.

-En sólidos nos encontramos con problemas a la hora de tomar la misma cantidad de muestra.

-En las técnicas de pastilla ademas el espesor es difícilmente reproducible.


3.3. REFLECTANCIA DIFUSA.

La técnica de reflectancia difusa se ha convertido en una de las mas utilizadas para el análisis de sólidos y de muestra divididas en forma de partículas, y es generalmente no requiere preparación de muestra o esta es mínima. Sin embargo el espectro producido puede exhibir picos inusuales cuando se compara con los espectros de transmisión. En ciertos casos el espectro de puede estar tan distorsionado que sea imposible determinar los componentes de la muestra. Para comprender estos fenómenos es necesario conocer en que se basa esta técnica.

Consideremos un rayo de luz que llega a la superficie de un medio particular (fig3).

En la interfase las caras de los cristales están puestas al azar, luego hay un gran numero de ángulos de incidencia del rato con las caras. Algunos rayos llegaran con un ángulo tal que se produzca la reflexión en la superficie (r1); lo mas significativo es que este rayo no tiene interacción con la muestra. Otro rayo (r2) llegará con un ángulo tal que se produzca la refracción y por tanto entre en el cristalito. Este rayo puede salir o que se produzcan sucesivas refracciones en el interior. En general el rayo sera reflectado y refractado en varios cristales antes de salir del sólido.


El ángulo de salida puede tomar cualquier valor. Son estos rayos los que interaccionan con la muestra y contienen por lo tanto información espectral. Es necesario tener en cuenta que aunque el ángulo de salida es igual al ángulo de entrada, esto es solo cuando la superficie son perpendiculares al rayo, sino se produce esto no tiene porque cumplirse esta ley.

Esta mezcla de rayos que se reflejan y otros que se refractan no puede ser separados, y siempre se va a producir. Por lo tanto la energía que mide el detector sera la suma la suma de los energía de los rayos que han sido reflejados y aquellos que si han interaccionado con la materia.

La presencia del efecto especular que es producido por la reflexion tiene importantes consecuencias en el espectro, y anuque se cuente con filtros no siempre se puede discriminar los rayos reflejados de los refractados. Aunque en ciertas circunstancias se puede mejorar la información espectral (fig 5).

(fig 4: accesorio para evitar que los rayos vuelvan a incidir).

La reflectancia difusa difiere de la transmisión en que la luz reflejada en la superficie no vuelve a incidir de nuevo y la información espectral depende de la dispersión de la luz por la muestra.



3.3.1 DESVENTAJAS.

Ademas de los problemas de la reflexion en la superficie nos encontramos con otros problemas:

-Esta limitada principalmente a muestra en polvo.

-Si la muestra contiene agua y debido al calentamiento producido por el rayo de luz infrarrojo, esta se puede evaporar dando lugar a vapor de agua que causa fuertes interferencias en el espectro.

-El llenado de la celda es poco reproducible sobre todo cuando se quiere trabajar en análisis cuantitativo.


3.4. ESPECTROSCOPIA FOTOACÚSTICA.

La espectroscopia fotoacústica no es como los otros métodos de infrarrojo, en los cuales se mide directamente la energía absorbida por la muestra.

Todos los otros métodos dependen del grado en que disminuye la intensidad del rayo incidente a su paso por la muestra. El efecto fotoacústico depende de la absorción de energía radiante y su conversión en energía acústica (ondas termoplásticas).

3.4.1. LA CELDA GAS-MICRÓFONO.

En general la absorción provoca un aumento de la temperatura que es medido con un termómetro; este aumento de la temperatura se monitoriza. Aunque este proceso es muy lento y se pierde calor durante el proceso de medida.

Otro método mucho mas eficiente consiste en modular la intensidad de la luz incidente periódicamente y medir las variaciones que se producen en la temperatura (varia la intensidad, con ello la absorción y por tanto la temperatura). Hay varios modos de hacerlo y la elección del método esta directamente relacionado con la naturaleza de la muestra.

Uno de los métodos que se utiliza mas frecuentemente es el de la celda gas-micrófono, que se utiliza para líquidos y sólidos. (fig 11: Representación esquemática del efecto fotoacústico).

El proceso de conversión de energía en calor es muy rápido ya que se lleva a cabo en 10-8s, por tanto la absorción de energía se produce de forma simultanea al calentamiento. Hay una fuente de calor de naturaleza periódica que oscila entre una temperatura elevada y la temperatura ambiente. Durante la fase de alta temperatura el calor se difunde hacia la muestra en lo que se denomina una onda de calor.


Cuando esto se produce tiene lugar la expansión de un gas adyacente a la superficie esta expansión da lugar a una onda de presión a través del gas la cual se recoge como una señal acústica por medio de un micrófono. De aquí el termino fotoacústico.

Para facilitar la absorción se introduce en la muestra un cromóforo (Responsable de la absorción selectiva de la luz). Este grupo se introduce en la muestra y el conjunto se homogeneiza.

El problema matemático a resolver es la ecuación de difusión para una distribución de una fuente de calor en condiciones de oscilación periódica. Rosenwaig resolvió este problema y la denominó teoría RG.


Como es muy difícil de interpretar cuantitativamente, lo que se hace es discutir sobre casos limites en la mayoría de los cuales la señal es proporcional al coeficiente de absorción óptica. Aunque como hemos dicho son casos limites y generalmente la señal no sera proporcional a dicho coeficiente.

Antes de entrar en detalles sobre la respuesta fotoacústica es necesario definir lo que se denomina distancia de difusión térmica (m). Cuando el proceso es disipativo la intensidad de la señal decrece con la distancia a la fuente de calor. La difusión térmica se atenúa con la distancia proporcionalmente al factor 1/e de su inicial valor. Sin embargo la distancia es variable en el tiempo en la forma (2*P)/w, donde w es la frecuencia de modulación en radianes/s. Cuando la onda se ha propagado una distancia m se produce un nuevo calentamiento y cualquier información tomada después de esta liberación de calor se pierde.

Desde que el micrófono detecta la energía que llega a la superficie de la muestra, cualquier señal originada dentro de la muestra a una distancia mas grande que m, no contribuirá a la respuesta del micrófono. El espectro sera solamente tomado de la parte de la muestra que este a una distancia u de la superficie de la muestra.

La distancia de difusión térmica esta relacionada con w por la siguiente ecuación:

m=(2*a/w)½

Donde a es la difusividad térmica. Esta ecuación sugiere la variación de m variando w. En la practica los intentos de variar m con w tiene poco éxito fundamentalmente porque la mayoría de las señales originadas están mucho mas cercanas a la superficie que la distancia térmica de difusión.


Surge un problema en los aparatos que incluyen transformadas de Fourier porque la frecuencia depende de la distancia de difusión térmica. En dichos instrumentos la modulación de frecuencia depende del numero de onda y por tanto a grandes longitudes de onda la profundidad de muestreo es mayor que para longitudes de onda mas pequeñas. Esto se manifiesta en un aumento de la intensidad de la señal. Generalmente en los instrumentos con transformadas de Fourier la distancia de difusión térmica oscila entre 20 y 200 mm. Una aproximación general y muy usada en la expresión de RG para la respuesta fotoacústica en la celda del gas-micrófono es:

H=A*I0*21/2*m*b/(m*B2+(B*m+2)2)½

A: depende de la muestra y del instrumento, pero no depende de la longitud de onda.

b: Coeficiente de absorción óptica dado por:

b=2.303*e*C

e: Coeficiente de absorción molar.

C: Concentración.

Es obvio que la respuesta no es lineal y que la frecuencia depende de la longitud de difusión térmica de forma directa.

Se suelen considerar dos caso limites:

)b*m<<1 ð H=A*I0*b*m/Ö2

Esto expresión es lineal y solamente se puede aplicar a sistemas muy diluidos o donde la absorción es muy débil.


)b*m®¥ ð H=A*I0

Esta condición es conocida como saturación fotoacústica

Bajo estas circunstancias la intensidad de las señales es independiente de la concentración de cromófobo y el espectro tiende a exhibir lineas muy anchas. Esta condición puede ocurrir en espectro de infrarrojo medio y ha sido observado por ejemplo en el espectro de infrarrojo medio con transformadas de Fourier del almidón pero puede ser eliminado con dilución y en una matriz inerte.

La saturación fotoacústica es una condición muy utilizada para obtener espectros de fondo, generalmente carbón blanco. Desde que la respuesta fotoacústica es proporcional a la intensidad incidente, eliminando el espectro de fondo de la lampara podemos obtener el espectro “puro” de la muestra.

El efecto del término A no es totalmente eliminable ya que depende de parámetros como el empaquetamiento de la muestra en la celda. Sin embargo si la preparación de la muestra se hace con cuidado, podemos hacer que las variaciones sean muy pequeñas, pero como hemos dicho la manipulación debe realizarse con mucho cuidado con objeto de poder ser reproducible.

En muchas ocasiones se utiliza una aproximación y es suponer que:

m*b2<(b*m+2)2 ð H=A*I0*21/2*b*m/(m*b+2)

Esto indica una relación reciproca entre la respuesta fotoacústica y la intensidad.

Se ha encontrado que es útil para un amplio rango de materiales y de longitudes de onda de modo que se han propuesto un método general para tratamiento cuantitativo de datos.


Un modo alternativo para detectar el calentamiento de un gas en la superficie adyacente a la muestra es observar la deflexión que sufre una rayo de luz que pase cerca de la superficie de la muestra. Como el gas esta caliente el índice de refracción cambia y también la deflexión del rayo. Representando el cambio en la deflexión frente a la longitud de onda tendremos un espectro.

Esta técnica tiene la gran ventaja de que no es necesario de que la muestra se encuentre contenida en una celda y por tanto puede usarse con objetos que para otro tipo de análisis no tuvieran la geometría adecuada.

El efecto fotoacústico en gases hace que la absorción se transforme de manera directa en un cambio de presión, aunque esta técnica generalmente no se utiliza para gases.

3.4.2 DETECCIÓN PIEZO-ELÉCTRICA.

Hemos visto que la celda gas-micrófono no es utiliza generalmente para gases, sin embargo hay un método que es el la detección piezo-eléctrica.

Se basa en que una expansión de la muestra es detectada por un transductor piezo-eléctrico. Lo que ocurre es que la complejidad del mecanismo es mucha, limitandose el campo de aplicación de este método.

No obstante una ventaja es que la señal proviene directamente de la muestra y no por difusión.

3.4.3. DESVENTAJAS.

a) Uno de los problemas fundamentales de la espectroscopia fotoacustica es la baja señal que se transduce, es decir la poca intensidad con la que llega la señal y es medible.


Esto es porque la energía eficiente que se transfiere desde el rayo de luz al micrófono transductor es muy poca.

b) El fuerte efecto fotoacústico que se produce en gases puede dar lugar a una serie de problemas como el hecho de que la muestra tenga vapor alrededor de ella dando lugar a espectros con lineas que no tienen interés. El vapor de agua representa un problema en este contexto, ya que esta posee una gran absorción y puede distorsionar en gran medida el espectro.


3.5. REFLECTANCIA ATENUADA TOTAL (ATR).

Los métodos de ATR representan posiblemente la forma mas flexible en cuanto a la presentación de la muestra y están disponibles en formas muy diversas para aplicaciones especiales. Sin embargo aun no teniendo en cuenta los diseños que se usen, los componentes básicos y los principios basicos son los mismos.

El componente principal en los aparatos de ATR es el componente de reflectancia interna, que es generalmente un prisma o un material que transmita en el infrarrojo con un alto indice de refraccion. La luz se focaliza en una de las caras del prisma y penetra en el material. La luz llega con un ángulo tal que impida la reflexion de la luz, de modo que llega a la interfase con un ángulo predeterminado (qi). Se denomina qc al ángulo critico. Donde qc es:

qc=sen-1(n2/n1) (n1>n2)

n2: Indice de refraccion de alrededor del medio

n1: Indice de refraccion del material.

Cuando qc<qi la reflexion interna ocurre de forma completa y se puede decir que la luz esta atrapada en el interior del prisma; después de un numero de reflexiones la luz deja el prisma. Aunque en alguna de estas reflexiones internas algo de luz puede salir del prisma al medio e interaccionar con ese medio, de manera que se produce una atenuación de la luz reflejada cuando ocurre la absorción. Este es el mecanismo por el cual el ATR se utiliza para generar un espectro infrarrojo.

La longitud de paso efectiva para cada celda de ATR depende de la profundidad de penetración de cada reflexion (l) y del numero de dichas reflexiones. La ultima es determinada por qi y las dimensiones del prisma.


Vemos que hay una dependencia de la longitud de penetracion con los indices de refraccion lo que da lugar a diferencias entre el método de ATR y los espectros de transmisión.

Los valores mas frecuentes para la longitud de paso estan entre 0.25 y 4 mm, por lo tanto la celda de ATR equivale a una celda de transmision con una longitud de paso muy pequeña.

Una paso importante para obtener un buen espectro de ATR es que debemos favorecer el contacto físico entre la muestra y el cristal. Aquellos materiales maleables o que estén húmedos o incluso líquidos dan muy buenos espectros. Sin embargo las muestras en forma de polvo o finamente divididas no dan buenos resultados.

En cualquier caso la intensidad absoluta del espectro dependerá del contacto entre la muestra y el cristal, por ello aparecerán problemas a la hora de la reproducibilidad, ya que es muy difícil reproducir el contacto muestra-celda.

3.5.1 MATERIALES DEL PRISMA

La elección del material del prisma es crucial para el buen desarrollo del método. Se requiere uno que tenga un alto indice de refracción y el material debe ser inerte desde el punto de vista químico y que presente buenas propiedades mecánicas.

Para la mayoría de las aplicaciones la resistencia al agua es muy importante. (Tabla 1: Propiedades de los distintos materiales usados como prismas en ATR).


3.5.2 MUESTREO Y GEOMETRÍA DE LOS ACCESORIOS DE ATR.

3.5.2.1 SOLUCIONES.

Las soluciones deben ser preparadas usando una variación denominada Reflectancia interna cilíndrica (CIR) de cuya forma la celda toma el nombre de celda circular. El prisma presenta terminaciones cónicas y se monta de modo que la solución rodea al cristal. La luz se focaliza mediante lentes de modo que llegue a las terminaciones cónicas.

Estas celdas se usan para tamaños de muestra que van desde 5ml ® 120ml, usando para ello un prisma pequeño.

Esta técnica (CIR) que presenta una longitud de paso muy pequeña es utilizada muy frecuentemente para soluciones acuosas.

3.5.2.2 PASTAS Y SEMI-SÓLIDOS.

Estas muestra se examinan utilizando lo que se denomina ATR horizontal (HATR). El prisma es ahora un paralelogramo con espejos en las terminaciones. (Fig 3). La muestra se extiende sobre el cristal y se obtiene el espectro. La muestra se quita fácilmente con un trapo.


La muestra se fija al prisma por una serie de laminas. Hay algunos instrumentes poseen un mayor numero de laminas para aumentar la presión de la muestra sobre el prisma y a la vez mejorar el contacto. Esto es usado generalmente para muestras finamente divididas.

3.5.2.3. VARIACIONES EN LA LONGITUD DE PENETRACIÓN.

Como la longitud de penetración depende del ángulo de incidencia(qi), podemos variar la esta distancia variando el ángulo.

Esto se puede llevar a cabo con un accesorio que nos permite variar el ángulo entre 30 y 60 grados. Para ello se utilizan espejos situados verticalmente de hay que también se denomine ATR vertical.

3.5.3 DESVENTAJAS.

Aunque estas técnicas son muy flexibles presentan una serie de desventajas:

a) No tienen mucho éxito con muestras en forma de polvo.

b) Es muy sensible al contacto eficiente muestra-cristal, lo que da lugar a que no se utilice ampliamente para trabajos cuantitativos.


3.6.CONCLUSIONES.

Las técnicas descritas representan una parte de lo que es la espectroscopia infrarrojo moderna. No es posible intentar decir cual es la mejor de todas, ya que todas presentan ventajas e inconvenientes. Comparando las figuras 6, 7, 9, 12 observamos las diferencias que existen entre los distintos métodos.


4. ESPECTROSCOPIA RAMAN.

4.1 ¿QUÉ ES LA ESPECTROSCOPIA RAMAN?.

De forma general se podría decir que la espectroscopia Raman consiste en un estudio de las vibraciones en las moléculas o los cristales. Para alcanzar este objetivo la fuente de luz de la espectroscopia Raman es un potente láser. La frecuencia de cada vibración es dada como la diferencia entre la frecuencia emitida por la muestra y la frecuencia de la luz incidente. Por tanto la espectroscopia Raman consiste en la medida con una alta resolución de la luz emitida por la muestra. Generalmente la intensidad de las lineas Raman son el 0.001% de la intensidad de la fuente. Esta emisión no debe confundirse con la fluorescencia aunque algunas veces pase y en dichos casos no es posible diferenciar la luz emitida y por tanto no se observa el efecto Raman.


4.2 ¿COMO OCURRE EL EFECTO RAMAN?.

Cuando una onda electromagnética incide sobre una molécula, el efecto es distorsionar la molécula. Es mas sencillo de ver si pensamos en una molécula simple que se encuentra sometida a un campo eléctrico entre dos placas de un condensador, con una diferencia de potencial variable. El núcleo y los electrones de la molécula se verán desplazados en direcciones opuestas debido al campo eléctrico. El desplazamiento que ocurra sera oscilante con la variación del potencial existente entre las placas del condensador. Lo que ocurre cuando la frecuencia de oscilación que estamos aplicando coincide con la frecuencia de oscilación natural de la molécula, esta absorbe energía. Esta es la descripción clásica del origen de absorción de luz infrarroja, ultravioleta y visible absorción que da lugar a las correspondientes espectroscopias.

El efecto Raman es algo mas complejo porque la molécula no tiene una frecuencia que coincida con la de la radiación incidente. Para entender el efecto Raman tendremos que mirar la descripción anterior con mas detalle.

Supongamos hipotéticamente que nosotros giramos la molécula pero ahora el potencial es constante entre las placas del condensador. Para una molécula anisotropica la distorsión de la molécula dependerá de la orientación de esta con respecto al campo eléctrico. Si registramos las distintas posiciones de la molécula y medimos la distorsión entonces nos damos cuenta que la distorsión es función de la posición. Lo que estamos midiendo es una medida de la polarizabilidad, aunque no podemos decir que la distorsión inducida en la molécula sea cocinear con el campo eléctrico que se induce en ella.

Supongamos ahora que físicamente vamos distorsionar la molécula moviendo los átomos de su posición, por convenio supongamos que los átomos están fijos en los extremos de sus movimientos vibracionales.


Si medimos el elipsoide de polarizabilidad, de esta molécula distorsionada no podemos garantizar que obtendríamos el mismo elipsoide de polarizabilidad de la molécula no distorsionada. Por tanto se puede concluir que asociada con alguna vibraciones hay cambios en la polarizabilidad de una molécula, y este cambio puede ser positivo, negativo o cero (el cambio en el elipsoide de polarizabilidad de una molécula en su configuración de equilibrio es proporcional al desplazamiento de los átomos a través de sus coordenadas normales).

En el efecto Raman un láser polariza las moléculas las cuales emiten luz de distinta frecuencia. La luz láser polariza la molécula. Si nosotros consideramos el proceso de emisión de luz como reversible y consideramos la molécula en el campo de la luz emitida, entonces la molécula sera de nuevo polarizada. Aunque hay una diferencia grande, ya que no es lo mismo que se polarice con la luz que nosotros le estamos dando que se polarice con la que ella emite.

Por tanto se supone que hay una diferencia en la polarización de la molécula en los dos casos.

Esta es una descripción simplificada del efecto Raman.


4.3 INSTRUMENTACIÓN.

Los instrumentos modernos para la espectroscopia Raman, están constituidos por tres componentes:

-Una fuente láser

-Un sistema de iluminación de la muestra-

-Un espectrofotómetro adecuado.

4.3.1 FUENTES.

La fuente mas utilizada para la espectroscopia Raman es el láser de Helio/Neón que opera en forma continua con una frecuencia de 50mW. La radiación láser se produce a 632.8 nm; la linea principal esta acompañada de varias lineas de menor intensidad y distinto origen, que deben eliminarse mediante filtros adecuados de banda estrecha. Otro procedimiento para eliminar estas lineas se basa en que al no provenir del efecto láser, estas lineas divergen mas rápidamente que las procedentes del efecto láser, y por tanto, si aumentamos la distancia entre la fuente y la rendija de entrada, las intensidades de las lineas parasitas pueden casi anularse.

También se utilizan láseres de Argón con lineas a 488.0 y 514,5 nm, en especial cuando se requiere una mayor sensibilidad. Debido a que la intensidad de la dispersión Raman varia con la cuarta potencia de la frecuencia del fuente de excitación, la linea del Argón proporciona para una misma potencia de entrada, lineas Raman que son tres veces mas intensas que las excitadas por la fuente de Helio/Neón.

El láser de Nd:YAG que emite radiación en el infrarrojo cercano a 1.604 mm se esta utilizando cada vez mas como fuente de excitación.


Presenta dos ventajas sobre las fuentes de longitud de onda mas corta:

-Puede operar a potencia mayor sin provocar la fotodescomposción de la muestra, aunque esta ventaja se compensa parcialmente por la relación exponencial (a la carta potencia) entre la intensidad de la linea Raman y la frecuencia de la fuente.

-No es suficientemente energética como para inducir transiciones electrónicas y por tanto es incapaz de producir fluorescencia.

Sin embargo para obtener espectros reproducibles con esta fuente es necesario utilizar un espectrofotómetro con transformadas de Fourier capaz de registrar las débiles señales.

Existen muchas mas fuentes láser, e indudablemente en el futuro se desarrollaran muchas más, y esto es conveniente para escoger aquella que no sea absorbida por la muestra ni por el disolvente.

4.3.2. SISTEMAS DE ILUMINACIÓN DE LA MUESTRA.

La manipulación de la muestra en espectroscopia Raman suele ser mas simple en espectroscopia Rama que en Infrarrojo, debido a que puede emplearse mas materiales para las ventanas, lentes u otros componentes ópticos, en lugar de los haluros cristalinos que resultan mas frágiles y menos estables a los componentes atmosféricos. Ademas se puede enfocar con facilidad la fuente láser sobre una pequeña zona de la muestra, y a su vez la radiación emitida enfocarla sobre una rendija. En consecuencia se pueden examinar fácilmente muestra muy pequeñas. De hecho un recipiente que se utiliza frecuentemente para muestras líquidas es un capilar, como el que se emplea para medir el punto de fusión. (Fig 13.5).


Los espectros Raman de muestras sólidas se obtiene a menudo llenando una pequeña cavidad, con la muestra finamente pulverizada.

En los caso de aquellas muestras que den lugar a poca intensidad como pueden ser los gases diluidos se suele colocar la cubeta entre los espejos de la fuente láser, lo que da lugar a un aumento de la potencia de excitación.

La mayor diferencia en cuanto a la manipulación de la muestra en espectroscopia Raman frente al infrarrojo se debe a la mínima actividad del agua, que por el contrario absorbe fuertemente la radiación infrarroja, de modo que las disoluciones acuosas se pueden estudiar por espectroscopia Raman pero no por infrarrojo.

Ventaja muy importante en los estudios biológicos e inorgánicos y también en aquellos relacionados con la contaminación de las aguas.


4.3.3. ESPECTRÓMETROS RAMAN.

Los espectrofotómetros Raman tienen un diseño parecido a los de ultravioleta/visible. La mayoría utiliza un doble monocromador para evitar que la radiación alcance al detector. Ademas se utiliza un diseño con división del haz para compensar los efectos de las fluctuaciones de la intensidad de la fuente. En la mayoría de los instrumentos se utilizan tubos fotomultiplicadores como detectores.

Una ventaja adicional sobre el infrarrojo es que los espectros Raman tanto en las regiones del infrarrojo medio como lejano se pueden estudiar con un sistema de red sencillo, mientras que los estudios de infrarrojo requieren varias redes para abarcar este intervalo. La resolución de los mejores espectrómetros de infrarrojo y Raman es aproximadamente la misma:0.2cm-1.


4.4. ESPECTROSCOPIA RAMAN DE TRANSFORMADAS DE FOURIER.

Un de las limitaciones de la espectroscopia Raman ha sido siempre la señal de fondo, que proviene de la fluorescencia de analito o de las impurezas que contiene. La gravedad de este problema radica en la relativamente baja eficiencia de la dispersión Raman respecto a la de un proceso de fluorescencia característico. Por ejemplo, para un flujo eficiente de 108 fotones de promedio, solo uno intervendrá efectivamente en una dispersión Raman. En cambio si una muestra contiene una impureza a nivel de partes por millón, con una elevada absortividad molar, y si esta impureza tiene un rendimiento cuántico del 0.1, para el mismo flujo incidente de antes, se podrían producir 10 fotones por fluorescencia. Por consiguiente una impureza muy fluorescente o una muestra débilmente fluorescente pueden hacer imposible la obtención de una espectro Raman útil.

La figura 13.6 ilustra como la técnica de la transformada de Fourier elimina completamente la fluorescencia de fondo. La curva superior se obtuvo utilizando un equipo Raman convencional utilizando la linea de 5145A de un láser de iones de Argón como fuente de excitación. La muestra era antraceno y la mayor parte de la señal registrada proviene de la fluorescencia del compuesto. La curva inferior proviene de la misma muestra excitada con una fuente de 1.064 µm y registrada con un espectrómetro de transformadas de Fourier, donde se observa la ausencia total de la señal de fondo por fluorescencia.


La espectroscopia Raman de transformadas de Fourier elimina la fluorescencia de fondo y hace posible el uso de la fuente láser de Nd:YAG que emite radiación solo en el infrarrojo cercano a 1064 nm. Esta radiación no es lo suficientemente energética como para producir las excitaciones electrónicas de las moléculas y de este modo se evita la fluorescencia. Esta fuente tiene una potencia mayor que una fuente de láser visible pues la radiación de infrarrojo cercano no causa la foto-descomposición de los analitos.

La necesidad de una técnica multiplex se explica por la relación (a la cuarta potencia) que hay entre la intensidad Raman y la frecuencia de excitación. Así, la sección transversal de la dispersión Raman se reduce por un factor de 16 cuando se utiliza una radiación de 1064 nm en lugar de una linea de iones Argón a 514,5 nm.

Ademas los detectores para la radiación infrarroja son menos sensibles que los fotomultiplicadores.

El interferómetro es del mismo tipo que el usado en los instrumentos de infrarrojo. El detector es un fotoconductor de Germanio enfriado con nitrógeno líquido.

Por lo general se usan filtros de corte para atenuar la radiación de longitudes de onda mas largas que las de la fuente que llega al detector.


4.5. ¿QUÉ SE PUEDE APRENDER DE LA ESPECTROSCOPIA RAMAN?.

Aunque tanto la espectroscopia Raman como la infrarroja estudian las vibraciones moleculares y en general los espectros obtenidos son similares, (fig.5) las dos técnicas son generalmente complementarias.


Las reglas de selección para ambas técnicas son diferentes; las reglas de selección para el infrarrojo requiere que la variación del momento dipolar no sea cero, mientras que la regla de selección para Raman nos dice que la polarizabilidad debe ser distinta de cero. De este modo aquellas vibraciones que sean activas en infrarrojo no lo serán en Raman, aunque lo contrario no siempre es cierto ya que puede ocurrir que la intensidad de una banda en Raman sea inapreciable y por tanto no se distinga, y tampoco se vera en infrarrojo.

También se encuentran diferencias en los contornos de ambas espectroscopias, habiendo diferencias por ejemplo en el ancho de banda.

También hay diferencias en cuanto al disolvente utilizado, ya que sería impensable utilizar agua como disolvente de una muestra en un método infrarrojo debido al fuerte absorción de esta, pero si que podemos emplearla en la espectroscopia Raman.

El estudio de cristales simples es mucho mas fácil utilizando la espectroscopia Raman.

En resumen lo que podemos concluir de la espectroscopia Raman es que es complementaria de lo que podemos aprender en espectroscopia de infrarrojo. Pudiendo decir que una técnica no es completa sin la otra. Aunque hay aspectos de la espectroscopia Raman distintos a la infrarroja por ello sea convertido en una técnica comercial y con mucho interés, sobre todo la espectroscopia Raman con transformadas de Fourier.

Generalmente los estudios de la espectroscopia Raman pueden llevarse a cabo sin preparación de la muestra. Un aspecto de la espectroscopia Raman es que la luz láser es polarizable. Supongamos que la luz incide en una molécula isotrópica, con esto la polarización de la molécula inducida por el vector eléctrico de la onda de luz es paralelo a dicho vector. Supongamos que la vibración excitada por el efecto Raman tiene una simetría que preserva la isotropía molecular. En este caso la luz dispersada esta completamente polarizada, obteniendo por tanto un test simple de vibraciones que preservan la simetría molecular.


4.6. ESPECTROSCOPIA RAMAN ACTIVADA POR SUPERFICIE AUMENTADA.

La espectroscopia Raman de superficie aumentada, implica la obtención de los espectros de la manera usual de muestra que se adsorben en la superficie de partículas metálicas coloidales (normalmente cobre plata oro) o sobre superficies porosas de piezas de estos metales. Por razones no del todo comprendidas, aunque se cree que es debido a un acoplamiento de los campos producidos por el metal y la molécula adsorbida, las líneas Raman de la molécula adsorbida a menudo se incrementa en un factor de 1.000 a 1,000.000 de veces, lo que da lugar a que se eleve el limite de detección.

No todos los metales poseen este efecto ya que depende de la configuración electrónica del mismo. Otra versión e que se produce un enlace metal ligando, pero de cualquier modo la técnica se emplea mucho para el estudio de la interacción de las biomoléculas con superficies y también en el estudio de electrodos.