UV-Visible

Fundamento:

La espectroscopía UV-Vis está basada en el proceso de absorción de la radiación

ultravioleta-visible (radiación con longitud de onda comprendida entre los 160 y

780 nm) por una molécula. La absorción de esta radiación causa la promoción de

un electrón a un estado excitado. Los electrones que se excitan al absorber

radiación de esta frecuencia son los electrones de enlace de las moléculas, por lo

que los picos de absorción se pueden correlacionar con los distintos tipos de

enlace presentes en el compuesto. Debido a ello, la espectroscopía UV-Vis se

utiliza para la identificación de los grupos funcionales presentes en una molécula.

Las bandas que aparecen en un espectro UV-Vis son anchas debido a la

superposición de transiciones vibracionales y electrónicas.

La espectroscopia ultravioleta-visible se usa rutinariamente en química analítica

para la determinación cuantitativa de diferentes analitos, tales como iones de

metales de transición, compuestos orgánicos altamente conjugados y

macromoléculas biológicas. Los análisis espectroscópicos normalmente se llevan

a cabo en solución, pero también pueden estudiarse sólidos usando la esfera de

integración.

Esta técnica se usa comúnmente para aplicaciones de recubrimientos reflejantes

y anti-reflejantes; corrección de color de recubrimientos, y para caracterizar

filtros UV, Vis y NIR.

Procedimiento

Se produce un haz de radiación cuya potencia es suficiente para facilitar la

detección y medida, esta debe ser estable.

Lámpara de hidrógeno

Lámpara de deuterio.

*Ambas lámparas producen un espectro continuo entre 160–375 nm y deben

emplearse ventanas de cuarzo en los tubos: ya que el vidrio absorbe fuertemente

en esta región del espectro electromagnético.

Lámpara de filamento de tungsteno

*Es la fuente más común para la zona del visible e infrarrojo. Esta lámpara es útil

para la región entre 320 – 2,500 nm.

La mayor parte de las aplicaciones espectrofotométricas utiliza las muestras en

solución líquida, por esta razón se requieren recipientes para colocar la muestra

(celdas). La celda debe transmitir el 100% de la energía radiante en la zona

espectral de trabajo.

Tabla 1. Celdas

Región U.V.Celdas de

cuarzo(200–2,000 nm)

Región VIS Celdas de vidrio (350–2,000 nm)

Los diversos tipos de excitación electrónica que puede ocurrir en las moléculas

orgánicas se muestran en la Figura 1.

De las seis transiciones descritas, sólo los dos niveles más bajos de energía

(flechas grises) se consiguen mediante las energías disponibles en el espectro de

200 - 800 nm

Figura 1. Eg

Ejemplo.-

Figura 2 Espectro UV-vis de porfirina con inserto en la ampliación de la región Q entre 480-720 nm.

Se reconoció rápidamente que la intensidad y el color de las porfirinas se derivan

de los sistemas altamente conjugados de π-electrones, la característica más

fascinante de las porfirinas es su espectro característico UV-visible que constan

de dos regiones distintas: en el ultravioleta cercano y en la región visible (Figura

2).

Ha sido bien documentado que los cambios en la vía de la conjugación y la

simetría de una porfirina pueden afectar a su espectro de absorción / Vis UV. El

espectro de absorción de porfirinas se ha entendido por mucho tiempo en

términos de la exitosa "cuarta orbital" (dos orbitales más alto ocupados π y dos

más desocupadas π* orbitales) modelo aplicado por primera vez en 1959 por

Martin Gouterman que ha discutido la importancia de la localización de carga en

las propiedades espectroscópicas electrónicas y ha propuesto el modelo orbital

cuatro en la década de 1960 para explicar los espectros de absorción de las

porfirinas.

Según esta teoría, como se informa en la Figura 2, las bandas de absorción en los

sistemas de porfirina surgen de las transiciones entre dos HOMOs y dos LUMOs,

es la identidad del centro metálico y los sustituyentes en el anillo que afectan a

las energías relativas de estas transiciones. Los HOMOs se calcularon para ser un

orbital a1u y un a2u, mientras que los LUMOs se calcularon a ser un conjunto

degenerado de orbitales eg.

Las transiciones entre estos orbitales dieron lugar a dos estados excitados. La

mezcla orbital divide estos dos estados en la energía, creando un estado de

energía más alto con una mayor fuerza de oscilador, dando lugar a la banda de

Soret, y un estado de energía más bajo con menos fuerza de oscilador, dando

lugar a los Q-bandas.

El espectro de absorción electrónica de una porfirina típico (Figura 2) se compone

por lo tanto de dos regiones distintas. La primera implican la transición desde el

estado fundamental al segundo estado excitado (S0 → S2) y la banda

correspondiente se llama el Soret o banda B. La gama de absorción está entre

380-500 nm, dependiendo de si la porfirina es β- o mesosubstituida.

La segunda región se compone de una transición débil para el primer estado

excitado (S0 → S1) en el intervalo entre 500-750 nm (las bandas Q). Estas

características espectroscópicas favorables de las porfirinas se debe a la

conjugación de 18 π- electrones y proporcionan la ventaja de una monitorización

fácil y precisa de los procesos de unión de los huéspedes por métodos

espectroscópicos de UV-visible, CD, de fluorescencia y RMN espectroscopia.

IR-FTIR

Fundamento:

La espectroscopía NIR esta basada en la absorción de la radiación a longitudes de

onda entre 800 y 2700 nm. En esta zona del espectro electromagnético el

proceso de absorción es debido a presencia de sobretonos y bandas de

combinación originados por transiciones vibracionales intensas que se producen a

longitudes de onda mayores.

Los espectros NIR están dominados por la presencia de bandas anchas de baja

intensidad lo que restringe su uso a muestras sólidas y líquidas. Se usa

principalmente en análisis medioambiental, farmacéutico y de alimentos, así

como en la industria de polímeros y plásticos. Esta espectroscopia se fundamenta

en la absorción de la radiación IR por las moléculas en vibración. Una molécula

absorberá la energía de un haz de luz infrarroja cuando dicha energía incidente

sea igual a la necesaria para que se dé una transición vibracional de la molécula.

Es decir, la molécula comienza a vibrar de una determinada manera gracias a la

energía que se le suministra mediante luz infrarroja.

Pueden distinguirse dos categorías básicas de vibraciones: de tensión y de

flexión. Las vibraciones de tensión son cambios en la distancia interatómica a lo

largo del eje del enlace entre dos átomos. Las vibraciones de flexión están

originadas por cambios en el ángulo que forman dos enlaces. En la Figura 3 se

representan los diferentes tipos de vibraciones moleculares.

Figura 3. Tipos de vibraciones moleculares: (+) indica un movimiento del plano de la página hacia el

observador; (-) indica un movimiento del plano de la página alejándose del observador.

Cada molécula presenta un espectro IR característico, debido a que todas las

moléculas (excepto las especies diatómicas homonucleares como O2 y Br2) tienen

algunas vibraciones que, al activarse, provocan la absorción de una determinada

longitud de onda en la zona del espectro electromagnético correspondiente al

infrarrojo.

Un haz de luz infrarroja es generado y dividido en dos rayos. Uno pasa por la

muestra, y el otro por una referencia que suele ser la sustancia en la que está

disuelta o mezclada la muestra. Ambos haces se reflejan de vuelta al detector,

pero primero pasan a través del separador, que alterna rápidamente cuál de los

dos rayos entra en el detector. Las dos señales se comparan y, a continuación, se

registran los datos.

Existen dos razones por las que se utiliza una referencia:

Evita que las fluctuaciones de energía eléctrica de la fuente afecten a los

resultados finales, ya que tanto la muestra como la referencia se ven

afectadas del mismo modo. Por esa misma razón, también impide la

influencia de variaciones sobre el resultado final, debido al hecho de que la

fuente no necesariamente emite la misma intensidad de luz para todas las

longitudes de onda

Permite que los efectos del disolvente se anulen, porque la referencia es

normalmente la forma pura del disolvente en el que se encuentra.

Preparación de la Muestra:

Las muestras líquidas pueden ser prensadas entre dos planchas de una sal de

alta pureza (como el cloruro de sodio). Estas placas deben ser transparentes a la

luz infrarroja para no introducir ninguna línea en el espectro de la muestra. Las

placas obviamente son solubles en agua, por lo que la muestra, los reactivos de

lavado y el medio deben ser anhidros (es decir, sin agua).

Las muestras sólidas se preparan mezclando una cierta cantidad de muestra con

una sal altamente purificada (por lo general bromuro de potasio). Esta mezcla se

tritura y se prensa con el fin de formar una pastilla por la que pueda pasar la luz.

La pastilla necesita ser prensada a altas presiones para asegurar que sea

translúcida, pero esto no puede lograrse sin un equipo adecuado (por ejemplo,

una prensa hidráulica). Al igual que el cloruro de sodio, el bromuro de potasio no

absorbe la radiación infrarroja, por lo que las únicas líneas espectrales

provendrán del analito.

Ejemplo.-

Figura 4. Fase gaseosa espectros de FT-IR de los productos liberados por la descomposición térmica

de formamida a la temperatura del arco de carbono. Los principales productos detectados son CO2,

CO, acetileno y HCN. El espectro se registró la parte superior de los productos en fase de vapor

derivados de la descomposición de formamida. Los otros espectros son espectros de referencia

estándar tomado de la biblioteca Omnic de nuestra espectrómetro.

La Figura 4 muestra los productos gaseosos formados por golpear con un arco de

carbono sumergido en formamida líquida. Los productos consisten en CO2 y CO

junto con HCN. El cianuro de hidrógeno se reconoce a partir de su absorción

infrarroja a 714 cm-1. No se detectó amoníaco a estas temperaturas. En lugar de

acetileno fue particularmente presente como se reconoce desde su banda de

absorción a alrededor de 730 cm-1. Los permisos de arco de carbón para llegar a

temperaturas tan altas como 4000 K y en una investigación anterior cadenas

acetilénicos, se detectaron los polyynes H-C≡C-(C≡C)n-C≡C-H en la formamida

líquida después del tratamiento arco de carbono. Los polyynes se forman a partir

de la condensación y polimerización del vapor de carbono liberado de los

electrodos de grafito y se inactivó en el medio líquido (formamida) donde se

golpeó el arco eléctrico.

ABSORCION ATÓMICA

Fundamento:

Es una técnica para determinar la concentración de un elemento metálico

determinado en una muestra. Puede utilizarse para analizar la concentración de

más de 62 metales diferentes en una solución.

Aunque la espectrometría de absorción atómica data del siglo XIX, la forma

moderna fue desarrollada en gran medida durante la década de los 50 por un

equipo de químicos de Australia, dirigidos por Alan Walsh.

La técnica hace uso de la espectrometría de absorción para evaluar la

concentración de un analito en una muestra. Se basa en gran medida en la ley de

Beer-Lambert.

Los electrones de los átomos en el atomizador pueden ser promovidos a orbitales

más altos por un instante mediante la absorción de una cantidad de energía (es

decir, luz de una determinada longitud de onda). Esta cantidad de energía (o

longitud de onda) se refiere específicamente a una transición de electrones en un

elemento particular, y en general, cada longitud de onda corresponde a un solo

elemento.

Como la cantidad de energía que se pone en la llama es conocida, y la cantidad

restante en el otro lado (el detector) se puede medir, es posible, a partir de la ley

de Beer-Lambert, calcular cuántas de estas transiciones tienen lugar, y así

obtener una señal que es proporcional a la concentración del elemento que se

mide.

Para analizar los constituyentes atómicos de una muestra es necesario

atomizarla. La muestra debe ser iluminada por la luz. Finalmente, la luz es

transmitida y medida por un detector. Con el fin de reducir el efecto de emisión

del atomizador (por ejemplo, la radiación de cuerpo negro) o del ambiente,

normalmente se usa un espectrómetro entre el atomizador y el detector.

Tipos de atomizadores:

Para atomizar la muestra normalmente se usa una llama, pero también pueden

usarse otros atomizadores como el horno de grafito o los plasmas, principalmente

los plasmas de acoplamiento inductivo.

Cuando se usa una llama, se dispone de tal modo que pase a lo largo

lateralmente (10 cm) y no en profundidad. La altura de la llama sobre la cabeza

del quemador se puede controlar mediante un ajuste del flujo de mezcla de

combustible. Un haz de luz pasa a través de esta llama en el lado más largo del

eje (el eje lateral) e impacta en un detector.

Análisis de los líquidos:

Una muestra de líquido normalmente se convierte en gas atómico en tres pasos:

Desolvación. El líquido disolvente se evapora, y la muestra permanece

seca.

Vaporización. La muestra sólida se evapora a gas.

Atomización. Los compuestos que componen la muestra se dividen en

átomos libres.

Fuentes de luz:

La fuente de luz elegida tiene una anchura espectral más estrecha que la de las

transiciones atómicas.

Lámparas de cátodo hueco. En su modo de funcionamiento convencional,

la luz es producida por una lámpara de cátodo hueco. En el interior de la

lámpara hay un cátodo cilíndrico de metal que contiene el metal de

excitación, y un ánodo. Cuando un alto voltaje se aplica a través del ánodo

y el cátodo, los átomos de metal en el cátodo se excitan y producen luz con

una determinada longitud de onda. El tipo de tubo catódico hueco depende

del metal que se analiza. Para analizar la concentración de cobre en un

mineral, se utiliza un tubo catódico de cobre, y así para cualquier otro

metal que se analice.

Lásers de diodo. La espectrometría de absorción atómica también puede

ser llevada a cabo mediante láser, principalmente un láser de diodo, ya

que sus propiedades son apropiadas para la espectrometría de absorción

láser. La técnica se denomina espectrometría de absorción atómica por

láser de diodo (DLAAS o DLAS), o bien, espectrometría de absorción por

modulación de longitud de onda.

Aplicaciones:

El análisis de absorción atómica constituye una de las técnicas más empleadas

para la determinación de más de 60 elementos, principalmente en el rango de

μg/ml-ng/ml en una gran variedad de muestras. Entre algunas de sus múltiples

aplicaciones tenemos el análisis de: aguas, muestras geológicas, muestras

orgánicas, metales y aleaciones, petróleo y sus subproductos; y de amplia gama

de muestras de industrias químicas y farmacéuticas.

La espectroscopia de absorción atómica con llama es el método más empleado

para la determinación de metales en una amplia variedad de matrices. Su

popularidad se debe a su especificidad, sensibilidad y facilidad de operación. En

este método la solución muestra es directamente aspirada a una llama de flujo

laminar. La llama tiene como función generar átomos en su estado fundamental,

de los elementos presentes en la solución muestra. Temperaturas cercanas a los

1500–3000°C son suficientes para producir la atomización de un gran número de

elementos, los que absorberán parte de la radiación proveniente de la fuente

luminosa.

Otros sistemas han sido descritos con el fin de mejorar la eficiencia de la

atomización, en los cuales de deposita la muestra sólida o como suspensión en un

accesorio especial para introducirlo a la llama (navecilla de tantalio, cubeta de

Delves).

En la Figura 5 se observan los procesos que experimenta una solución muestra

con estos sistemas de atomización en la llama.

Figura 5. Diagrama del proceso de atomización en una llama.

Ejemplo.-

Figura 6. Recta de calibrado para Pb

Tabla 2. Concentración de Pb y comparación con los valores límites de Öeko-Tex Estándar 100.

Determinación de plomo: en la Figura 6 se presenta la recta de calibrado

correspondiente al plomo y en la Tabla 2Error: Reference source not found se

indican los resultados obtenidos.

En todas las muestras, el contenido de plomo se encuentra dentro de los límites

establecidos por la Öeko-Tex Estándar 100. No se aprecian diferencias

significativas en cuanto a la composición de la muestra ni a la procedencia.

ESPECTRÓMETRO DE RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR (RMN).

Fundamento:

Cuando una muestra que contiene un compuesto orgánico es irradiada

brevemente por un pulso intenso de radiación, los núcleos en el estado de espín α

son promovidos al estado de espín β. Esta radiación se encuentra en la región de

las radiofrecuencias (rf) del espectro electromagnético por eso se le denomina

radiación rf. Cuando los núcleos vuelven a su estado inicial emiten señales cuya

frecuencia depende de la diferencia de energía (∆E) entre los estados de espín α

y β. El espectrómetro de RMN detecta estas señales y las registra como una

gráfica de frecuencias frente a intensidad, que es el llamado espectro de RMN. El

término resonancia magnética nuclear procede del hecho de que los núcleos

están en resonancia con la radiofrecuencia o la radiación rf. Es decir, los núcleos

pasan de un estado de espín a otro como respuesta a la radiación rf a la que son

sometidos.

Figura 7. Principales componentes de un equipo para medidas de resonancia magnética nuclear.

Como se observa en la Figura 7, el espectrómetro de RMN consta de cuatro

partes:

Un imán estable, con un controlador que produce un campo magnético

preciso.

Un transmisor de radiofrecuencias, capaz de emitir frecuencias precisas.

Un detector para medir la absorción de energía de radiofrecuencia de la

muestra.

Un ordenador y un registrador para realizar las gráficas que constituyen el

espectro de RMN.

Análisis RMN:

Los espectros de RMN se miden habitualmente en disolución por lo que un punto

de vital importancia es la selección del disolvente, que debe ser deuterado. En un

disolvente de estas características todos sus hidrógenos se han reemplazado por

deuterio (inactivo en las condiciones en las que se mide el espectro) para que las

señales de los protones del disolvente no enmascaren las de la muestra a

analizar, que se encuentra en mucha menor proporción. De todos los disolventes

orgánicos deuterados el cloroformo-d (CDCl3) es el más empleado. También es

importante el grado de concentración de la muestra así como la eliminación de

partículas sólidas en suspensión que pueden distorsionar el campo magnético

estático y disminuir el grado de resolución.

Las muestras de compuestos orgánicos se miden, habitualmente, en tubos de

vidrio de 5 mm de diámetro externo, con una longitud de 15-25 cm.

Figura 8. Vial para análisis RMN.

Para medir el espectro de RMN de protón de una muestra, se disuelve en un

pequeño vial 30-50 mg de compuesto en aproximadamente 0.5 ml de disolvente

deuterado.

Para eliminar partículas sólidas, esta disolución se filtra directamente al tubo de

RMN haciendo uso de una pipeta Pasteur obturada con un trozo pequeño de

algodón como lo muestra la Figura 8. Si la muestra está muy diluida porque

disponemos de poca cantidad de muestra, posibles residuos de agua procedentes

del disolvente deuterado pueden enmascarar alguna de las señales del

compuesto problema.

Si este es el caso conviene añadir un poco de agente desecante (sulfato

magnésico o sulfato sódico) sobre el algodón utilizado para realizar el proceso de

filtración. Por último, tras situar la muestra en el tubo de RMN éste se cierra con

un tapón de plástico.

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