La espectroscopia.

Introducción

La espectroscopia por infrarrojos ciertamente es uno de las técnicas analíticas más importantes disponibles para los científicos en la actualidad. Y no es por menos, puesto que las características del análisis que presenta hacen que sea virtualmente posible analizar cualquier muestra (con la elección correcta de la técnica de muestreo) (Stuart, 2004). Es una técnica basada en la vibración atómica de una molécula, donde se pretende obtener un espectro IR tras incidir radiación infrarroja a través de una muestra para determinar qué fracción de la radiación es absorbida en una frecuencia específica. La introducción del proceso matemático “Transformación de Fourier” permitió que el instrumento se extendiese por la calidad y rapidez de los resultados.

La presente investigación tiene como objetivo, introducir y explicar los fundamentos de la técnica analítica de espectroscopia FT-IR. Se ha procurado abordar el tema de investigación de manera general, los antecedentes históricos como descubrimientos de carácter fisicoquímicos y su comprensión que dieron a lugar al desarrollo de la técnica de manera general.

Posteriormente, se analizarán los fundamentos físicos en los que se sostiene el método analítico, cómo interviene en la interacción del instrumento-Objetivo y cómo dicha relación permite la obtención de información relevante para la identificación de una muestra.

Por último, apelando al interés de dar a conocer la espectroscopia FT-IR, se muestran los aspectos básicos de calibración y uso de un equipo de esta naturaleza, además de englobar las diferentes aplicaciones aparte del laboratorio, en sectores industriales y de identificación biológica.

Resumen:

La espectroscopia por infrarrojo es una técnica de análisis químico basada en el fundamento de la relación de absorción de cierta radiación infrarroja y cómo esta afecta a la materia. Después de los descubrimientos de Newton sobre la descomposición de la luz, la ciencia se interesó en la naturaleza de la luz, pues bajo algunos experimentos se comportaba como onda y en otros como partícula (reconocido por Einstein en 1929). Tras la postulación del espectro electromagnético, científicos se interesaron aún más por las interacciones que tenían longitudes específicas sobre la materia, puesto que observaciones del sol determinaron que aparecían líneas espectrales, correspondientes a las frecuencias de absorción de algunos elementos. Se había encontrado la forma de identificar elementos mediante la capacidad de los mismos de absorber frecuencias específicas de la luz.

La espectroscopia basa su funcionamiento en el principio anterior, sólo que utiliza la región infrarroja del espectro para la caracterización de compuestos y en este caso no se busca la absorción, sino la forma en la que las moléculas vibran bajo cierta cantidad de energía proveniente de un emisor de radiación infrarroja. La transformada de Fourier es introducida por Cooley and Tukey, ampliando las posibilidades de esta técnica para el análisis de sustancias tanto orgánicas como inorgánicas.

Dadas sus características, ha sido bien recibida desde los años 50, cuando se encontró comercialmente disponible y a mediados de los 60 con la introducción de la TF, haciendo a la técnica una de las más socorridas en laboratorios de análisis, industrias farmacéuticas, energéticas y de identificación microbiológica.

Objetivos:

Dar a conocer por medio de un trabajo escrito y posterior exposición, las características, fudamentos, y áreas de aplicación de la espectroscopia infrarroja  por transformada de Fourier

Antecedentes

Al principio los químicos caracterizaban muestras, haciéndolas reaccionar con distintos reactivos conocidos, originando productos que podían identificarse por sus propiedades físicas y químicas (color, punto de ebullición, fusión, etc.). Sin embargo esta caracterización estaba incompleta, además de complicar la identificación de nuevos compuestos, y se corría el riesgo de la perdida de gran parte del analito deseado.  

Isaac Newton, en 1665, observó que cuando un haz de luz solar incide sobre un prisma de vidrio triangular con un ángulo, una parte se reflejaba y otra atravesaba a través del vidrio, mostrando diferentes bandas de colores, y recíprocamente al componer esos colores se podía recuperar la luz normal. La hipótesis de Newton sostenía que la luz estaba compuesta por corpúsculos (partículas) de diferentes colores y que la diferencia que se presentaba en los colores era debido a la diferencia de velocidades de cada uno de ellos. Concluyó que los colores no eran cualidades de la luz, derivadas de reflexiones o refracciones de cuerpos naturales (como se cree generalmente), sino propiedades originales o innatas. (Sánchez, 2001).

En 1752, Thomas Melvill hizo pasar por un prisma la luz que emitía una llama producida por sodio y observó un espectro continuo, surcado por una serie de líneas brillantes. Hasta el momento es la primera observación de un espectro de emisión. (Sánchez, 2001).

En 1802, cincuenta años después de los experimentos de Thomas Melvill, William Hyde Wollaston detectó en el espectro solar unas líneas oscuras (que Newton no detectó) y que él tomó como los bordes de los colores naturales. (Sánchez, 2001).

Otro hecho significativo que se puede asociar a las diferentes tonalidades de color es la cantidad de calor que puede generar. Los cuerpos emisores de calor producen radiación, por lo que al alejarse de esta fuente se percibe la radiación que produce sin que nuestros ojos puedan detectar dicha radiación. Dicha sensación no es perceptible visualmente, puesto que escapa a nuestra capacidad visual, sin embargo, somos capaces de “sentirla”. A esta región se le denominó Espectro Infrarrojo

 En 1800 Frederick William Herschel dijo que los colores pueden filtrar distintas cantidades de calor y cada uno tiene una temperatura mayor, que aumenta del violeta al rojo. (Peña, 2012).

Años más tarde, Joseph von Fraunhofer utilizó rejillas de difracción elaboradas por él, con las que observó en el espectro solar más de 600 líneas oscuras. Se inició un proceso en el cual se ubican las líneas oscuras en el espectro solar y además el estudio de la longitud de onda de las mismas. Se asignó a las líneas espectrales principales las letras de la A (en el rojo oscuro) a la K (en el violeta).

Gustav Robert Kirchhoff junto con Bunsen, demostraron que las líneas espectrales de Fraunhofer eran las “huellas dactilares” de cada elemento presente en la atmósfera del sol, las cuales se originaban cuando los elementos químicos presentes absorbían radiación en las frecuencias que los caracterizan.  Así fue posible determinar la composición química de la atmosfera solar y por consiguiente de otros astros. Algunas de las bandas observadas también las causan las moléculas de oxígeno de la atmósfera terrestre; (Bachiller, 2009).

Kirchhoff y Bunsen, haciendo que la luz solar llegase a un espectroscopio tras atravesar una llama de sodio; notaron que si se debilita suficientemente la luz solar, las líneas oscuras de Fraunhofer eran sustituidas por las líneas brillantes provenientes de la llama. Así se confirmó que la superposición de los dos tipos de espectros forma un espectro continuo, como si uno fuera el positivo y el otro fuera el negativo (uno es el inverso del otro). Esto quiere decir que, el espectro de cualquier material o sustancia emite líneas en ciertas frecuencias que coinciden con las mismas líneas que hacen falta en el otro tipo de espectro, por lo que podemos anunciar que estas líneas son absorbidas (Sánchez, 2001), es decir, en la misma frecuencia en que absorben, emiten. A continuación se presentan dichas líneas en la Imagen 1.

[pic 1]

El espectrómetro de Kirchhoff y el mechero de Bunsen, fueron esenciales para el estudio espectral, y crearon la idea que el conjunto de líneas espectrales es característico de cada elemento y se toma como el registro natural de cada uno, al comprobar que éste registro es el mismo independiente de la clase de experimentación (absorción o emisión) que se realice, ya que cada una de esas líneas corresponden a ciertas longitudes de onda, que es la razón esencial para identificar los diferentes elementos. (Sánchez, 2001).

La radiación que emite un gas o un cuerpo denso cuando es calentado nos brinda un espectro continuo, pero las líneas oscuras aparecen si este gas se pone delante de un emisor continuo más caliente, como lo que ocurre con el sol y la atmósfera terrestre. De ésta  manera Kirchhoff y Bunsen resolvieron el problema de la composición de la atmósfera solar comparando éste espectro con las sustancias terrestres descubriendo dos nuevos elementos: rubidio y cesio en los residuos de ciertas aguas minerales. (Morcillo y Orza, 1972).

La aparición de los métodos espectrométricos estableció un avance en el análisis de los materiales, ya que no destruyen la muestra, lo cual permite que se utilice en medios in vivo o in situ, siendo de suma importancia en el área de investigación.

El término espectroscopia comprende el uso de la absorción, emisión o dispersión de radiación electromagnética para estudiar la materia, sus componentes o procesos fisicoquímicos.

Fundamentos:

La espectroscopia por infrarrojo (IR) comprende la medición de las vibraciones de las moléculas. Las moléculas tienen un conjunto de vibraciones de resonancia producidas por energía térmica. Cuando una molécula es expuesta a radiación desde una fuente de energía térmica, absorbe esta radiación sólo a las frecuencias que correspondan a su modo de vibración molecular, en la región del infrarrojo del espectro electromagnético, siendo localizada ésta entre las regiones visibles y la de microondas. De esta forma, una sustancia puede ser caracterizada midiendo la absorción de energía infrarroja de las moléculas que la componen (Quinteiro, 2000).

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