instrumentación en la región del infrarrojo

INSTRUMENTACIÓN EN LA REGIÓN DEL

INFRARROJOFabián Valero

Mauricio Hernández

Espectro electromagnético

0.75 – 1000 µm

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

Esquema General

FUENTE CELDADISPERSO

RDETECTO

RREGISTRADO

R

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


Líquidos

Cubetas 0.1 – 1 mm

Camino óptico variable (celdas desmontables)

Camino óptico fijo


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 muestraEsquema operativo

Líquidos puros

Placas de CaCO3 Montaje del liquido


Esquema operativo Líquidos puros no

volátiles

Armado celda desmontable

Interposición trayectoria del haz

Montaje final


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


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


Solventes utilizables


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


Desventajas de la técnica

• Naturaleza higroscópica del KBr• Dificultad de obtención de espectros reproducibles

Prensa compresió

n

Celda

Mortero

Molde compresi

ónKBr alta

pureza


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.


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)

Monocromadores

Función análoga a monocromadores empleados en región UVy visible

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.

1. Termopares.

Detectores

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

Instrumentos de IR

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

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

http://scholarbank.nus.edu.sg/bitstream/handle/10635/14901/07chp3.pdf?sequence=7




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