instrumentación en la región del infrarrojo
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Espectro Electromagnético
Región Intervalo de
longitudes de Onda (µm)
Intervalo de numero de onda (cm-1)
Infrarrojo Próximo o cercano
0,75 - 2,5 13300 a 4000
Infrarrojo Medio o Fundamental
2,5 - 25 4000 a 400
Infrarrojo Lejano 25 - 1000 400 a 10
Fuentes
Características ideales
Radiación continua en un amplio intervalo
Gran intensidad, no variable con la longitud
de ondaEmisores de cuerpo
negro
Choques de átomos y moléculas
térmicamente excitadas
Fuentes
Emisor de Nernst 1 - 3
mm
20
– 50
m
m
Óxidos de Zirconio, Itrio y Torio
T° de calentamiento: 1200 y 2200 K
Energía emitida se concentra predominantemente entre 1-10 μm
IR fundamental
Cables de
platino
Fuentes
Fuente Globar
Carburo de Silicio
T° de calentamiento: 1300 y 1600 K
Energía emitida se concentra predominantemente entre 3-50 μm
IR fundamental
6 - 8 mm
50 mm
Electrodos de
Aluminio
Latón con agua enfriamiento contactos eléctricos
Ranura emisión de radiación
Fuentes
Filamentos Incandescente
s Espiral de alambre de Nicromo
T° de calentamiento
1100 K
Energía emitida se concentra
predominantemente entre 3 y 50
μm
Espiral de hilo de Rodio
T° de calentamiento
1400 KEnergía emitida
se concentra predominantemente entre 2.5 y 5
μm
Fuentes
Arco de mercurio
Fuente de plasma interno
Radiación continua en IR lejano (>50
µm)
Fuente laser de CO2
Gas CO2
Radiación IR – 10.6 µm
Tubo de
cuarzo
Hg >1 atm
Fuentes
Lámpara de filamento de Wolframio
T° de calentamiento: 3300 K
Radiación emitida
2.5 – 0.78 µm
IR cercano
Tratamiento de la muestra
Gases Inyección a presión adecuada en cubeta cilíndrica
Superficies internas
reflectantes
Metal con recubrimiento de
teflón
10 cm – 40 m
Tratamiento de la muestra
Líquidos
Cubetas 0.1 – 1 mm
Camino óptico variable (celdas desmontables)
Camino óptico fijo
Tratamiento de la muestra
Barrido factible en su forma pura o en disolución con un solvente
Líquidos puros no volátiles
Gota en placas de
gema
Película con espesor ≤ 0.01
mm
Fijar en placas de celda
desmontable
Interponer en la trayectoria del
haz
Líquidos puros volátiles
Cubetas de camino óptico
fijo
Tratamiento de la muestra
Esquema operativo Líquidos puros no
volátiles
Armado celda desmontable
Interposición trayectoria del haz
Montaje final
Tratamiento de la muestra
Soluciones Concentraciones entre 0.5 y 10%
Celda empleadaTomado de H.F. Walton, J. Reyes. “Análisis Químico e instrumental moderno”. Ed. Reverte.
España. 2005. 220
Tratamiento de la muestra
Solventes Criterios de
selecciónTransparencia en la región de longitud de onda de interés.
Solubilidad.
Sequedad.
Inerte respecto a la muestra.
Agua y alcoholes
Absorción intensa en IR Ataque a haluros de metales alcalinos
Tratamiento de la muestra
Sólidos
Reducción tamaño de partícula para evitar dispersión de la radiación
1. Pastilla de KBr: presión material finamente pulverizado presenta propiedades translucidas.
Mezclar 1 mg muestra con ~ 100
mg KBr
Llevar a un molde y
someter a vacio
Comprimir la mezcla en una
prensa
Obtención disco transparente
Colocar en la trayectoria del
haz
Tratamiento de la muestra
Desventajas de la técnica
• Naturaleza higroscópica del KBr• Dificultad de obtención de espectros reproducibles
Prensa compresió
n
Celda
Mortero
Molde compresi
ónKBr alta
pureza
Tratamiento de la muestra
2. Suspensiones en aceites minerales: útiles para sólidos no solubles en disolventes transparentes en IR.
Dispersar 2 a 5 mg muestra en
el aceite apropiado
Obtención de una pasta fina
Colocar unas gotas entre
discos de NaCl
Sujetar con un soporte
Realizar el barrido
Nujol
Fluorolube
Elección del aceite depende de lo que se quiera observar.
Tratamiento de la muestra
Compuesto Desventajas Utilidad
Nujol Mezcla de varios
hidrocarburos saturados de cadena lineal
Presenta una fuerte absorción debida a las vibraciones de tensión C-H. No
permite la observación de
vibraciones alifáticas C-H en
una muestra.
Al ser transparente en
otras regiones, se emplea para compuestos aromáticos y
para la detección de grupos
funcionales.
Hexaclorobutadieno
No se reporta.
Se usan cuando se requiere
analizar el C-H alifático.
Fluorolube (Polímero Fluorado)
MonocromadoresConsideraciones
especiales1. Materiales ópticos empleados: uso de cristales
iónicos de amplios intervalos de transp.
Tipo de cristal a utilizar depende del intervalo de transparencia,
So y reactividad
Problema de higroscopicidad
2. Reemplazo de lentes por espejos: lograr la focalización con menor perdida de intensidad por absorción.
Monocromadores
Espejos de vidrio o cuarzo fundido
Oro fundido en su cara frontal
Aluminio fundido en su cara frontal
99%
96%
Mayor resolución y transmisión en redes de difracción que prismas
No son muy asequibles comercialmente, por ello la mayoría de instrumentos constan de prismas.
Detectores
Detectores térmicos
Medición del aumento de T° de un cuerpo que absorbe radiación.
Baja capacidad calorífica del elemento absorbente.
Ruido térmico del medio: protección de los detectores de radiaciones térmicas vecinas.
Termopares Bolómetros
Detectores
1. Termopares. Unión de dos piezas de un metal unidas a través de otra pieza de un
metal distinto.
Radiación IR se enfoca sobre una de las uniones que posee una
pequeña placa receptora.
∆ T° unión caliente - unión fría aislada.
Voltaje Amplificación
electrónica.
Antimonio y bismuto Plata y Platino.
2. Bolómetros.
Detectores Dispositivo cuya resistencia depende de la
temperatura
Alimentación voltaje constante
Platino o Níquel.
Detectores
Laminas cristalinas de materiales
piroeléctricos
Detectores piroeléctricos
Momento dipolar permanente en ausencia de un campo eléctrico
aplicado.
Detectores
IR
Alteración distribución de carga
Cambio capacidad aislante
Detección corriente eléctrica al suministrar un voltaje externo.
• Sulfato de triglicina.• IR lejano
Detectores
Detectores fotoconductoresDelgada película de
semiconductor
Telururo de Cadmio
Sulfuro de Plomo Antimonurio de Indio
Excitación electrones a estados
de mayor energía
Resistencia del materialAumento corriente sistema
Instrumentos de IR
1. Instrumentos dispersivos. Utilizan monocromadores para la dispersión de la radiación. Celda se ubica entre la fuente y el monocromador ventaja. Instrumentos de doblez haz son los mas comunes. Divido en el
espacio Divido en el tiempo
Un espejo en V divide el haz
de la fuente en dos hacesUno pasa a través de la
referencia y simultáneamente el segundo atraviesa la
muestra
Los haces se separan mediante un espejo rotatorio
Dirige todo el haz que emerge de la fuente primero a través de la cubeta de referencia y luego a
través de la cubeta de la muestra
2. Instrumentos no dispersivos – con filtro No emplean una red o prisma para dispersar la radiación. Determinación cuantitativa de especies orgánicas en la atmosfera.
Instrumentos de IR
Fotómetros de filtro
Fuente: filamento incandescente de nicromo
Detector :dispositivo piroeléctrico.
Filtros de interferencia: transmiten 3.3 a 13 μm
Fotómetros sin filtro: no utilizan un dispositivo para restringir la longitud de onda. Se utilizan especialmente para controlar un componente determinado en una corriente de gases.
Instrumentos de IR
Instrumentos de IR
No contienen elemento dispersor, por lo que todas las longitudes de onda se detectan y miden simultáneamente
3. Instrumentos multiplex o de TF.
La mayoría de los instrumentos disponibles comercialmente se basan en el interferómetro de Michelson.
Instrumentos de IR
Beamsplitter
Materiales con n tal ~ 50% transmite – 50 % refleja
Película de Mylar (poliéster). Película de Germanio sobre KBr
Detector
Piroeléctrico de Sulfato de Triglicina
Lograr espectrogramas, de una resolución aceptable, en tiempos del orden de segundos. No se necesitan rendijas que limitan la cantidad de energía que llega al detector. Llega al detector una cantidad mayor de radiación, lo cual resulta en una mayor sensibilidad del mismo. La muestra se calienta mucho menos que en los espectrómetros de dispersión.
Aplicaciones
Aplicaciones cualitativas
Presencia o ausencia de grupos funcionales
Identificación de compuestos
Aplicaciones cuantitativas
Análisis de mezclas de compuestos orgánicos estrechamente relacionados.
Determinación de Contaminantes del Aire.
Mezclas de Gases
Aplicaciones
Aplicaciones en Farmacia
Identificación.
Elucidación estructural.
Pureza – análisis de contaminantes.Identificación de polimorfos.
Seguimiento de Reacciones: Verificación de la formación de un producto
Referencias consultadas
H.F. Walton, J. Reyes. “Análisis Químico e instrumental moderno”. Ed. Reverte. España. 2005.
E.D. Olsen. “Métodos ópticos de análisis”. Ed. Reverte. España. 1990. Cap. Espectrofotometría de infrarrojo.
D. A. Skoog, F. J. Holler, S. R. Crouch. “Principios de analisis instrumental”. Sexta edición. CENGAGE Learning. Mexico. 2008. Capítulos 16 – 17.
URL – Fecha de consulta Abril 4 – 2012. http://scholarbank.nus.edu.sg/bitstream/handle/10635/14901/07chp3.pdf?sequence=7