Diferencia entre revisiones de «Espectroscopía infrarroja»
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La '''espectroscopía infrarroja''' ('''espectroscopía''' '''IR''' o '''espectroscopía''' '''vibracional''') es la medida de la interacción de la radiación [[Radiación infrarroja|infrarroja]] con la [[materia]] por [[Espectroscopia de absorción|absorción]], [[Espectro de emisión|emisión]] o [[Reflexión (física)|reflexión]]. Se utiliza para estudiar e identificar [[Sustancia química|sustancias químicas]] o [[Grupo funcional|grupos funcionales]] en forma sólida, líquida o gaseosa. El método o técnica de espectroscopía infrarroja se realiza con un instrumento llamado '''espectrómetro infrarrojo''' (o espectrofotómetro) que produce un '''espectro infrarrojo'''. Un espectro de infrarrojos se puede visualizar en un gráfico de [[absorbancia]] (o [[transmitancia]]) de luz infrarroja en el eje vertical frente a la frecuencia o longitud de onda en el eje horizontal. Las [[Unidad de medida|unidades]] típicas de frecuencia utilizadas en los espectros de infrarrojos son [[Longitud recíproca|centímetros recíprocos]] (a veces llamados [[Número de onda|números de onda]]), con el símbolo cm <sup>-1</sup>. Las unidades de longitud de onda IR se dan comúnmente en [[Micrómetro (unidad de longitud)|micrómetros]] (antes llamados "micrones"), símbolo μm, que están relacionados con los números de onda de forma [[Inverso multiplicativo|recíproca]]. Un instrumento de laboratorio común que utiliza esta técnica es un [[espectrómetro]] de [[Espectrofotómetro de transformada de Fourier|transformada de Fourier infrarroja]] (FTIR). La IR bidimensional también es posible.
La porción infrarroja del [[espectro electromagnético]] generalmente se divide en tres regiones; infrarrojos [[Espectroscopia del infrarrojo cercano|cercanos]], medios y [[Infrarrojo lejano|lejanos]], llamada así por su relación con el espectro visible. El infrarrojo cercano de mayor energía, aproximadamente 14000–4000 cm<sup>−1</sup> (0,7–2,5 μm de longitud de onda) puede excitar modos de [[Vibración molecular|vibraciones moleculares]] [[Banda entonada|armónicos]] o combinados. El infrarrojo medio, aproximadamente 4000–400 cm<sup>−1</sup> (2,5-25 μm) se utiliza generalmente para estudiar las vibraciones fundamentales y la estructura [[Espectroscopía rotacional vibracional|rotacional-vibratoria]] asociada. El infrarrojo lejano, aproximadamente 400-10 cm<sup>−1</sup> (25-1000 μm) tiene baja energía y puede usarse para [[Espectroscopia rotacional|espectroscopía rotacional]] y vibraciones de baja frecuencia. La región de 2-130 cm<sup>−1</sup>, que bordea la región de [[microondas]], se considera la región de [[Radiación de terahercios|terahercios]] y puede sondear vibraciones intermoleculares.
== Teoría ==
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Para que un modo vibratorio en una muestra sea "IR activo", debe estar asociado con cambios en el momento dipolar. No es necesario un dipolo permanente, ya que la regla solo requiere un cambio en el momento dipolar.
Una molécula puede vibrar de muchas formas, y cada una de ellas se denomina ''modo vibratorio.'' Para moléculas con N número de átomos, las moléculas lineales tienen 3N - 5 grados de modos vibracionales, mientras que las moléculas no lineales tienen 3N - 6 grados de modos vibracionales (también llamados grados de libertad vibracionales). Como ejemplo, el [[Molécula de agua|H<sub>2</sub>O]], una molécula no lineal, tendrá 3 × 3 - 6 = 3 grados de libertad vibratoria o modos.
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Las [[Molécula diatómica|moléculas diatómicas]] simples tienen solo un enlace y solo una banda vibratoria. Si la molécula es simétrica, por ejemplo, N<sub>2</sub>, la banda no se observa en el espectro IR, sino solo en el [[Espectroscopia Raman|espectro Raman]]. Moléculas diatómicas asimétricas, por ejemplo el [[Monóxido de carbono|CO]], se absorbe en el espectro IR. Las moléculas más complejas tienen muchos enlaces y sus espectros vibracionales son correspondientemente más complejos, es decir, las moléculas grandes tienen muchos picos en sus espectros IR.
Los átomos de un grupo CH<sub>2</sub>X<sub>2</sub>, que se encuentran comúnmente en [[Compuesto orgánico|compuestos orgánicos]] y donde X puede representar cualquier otro átomo, pueden vibrar de nueve formas diferentes. Seis de estas vibraciones involucran solo la porción de [[grupo metileno|CH<sub>2</sub>]]: dos modos de '''estiramiento''' (ν): '''simétrico''' (ν<sub>s</sub>) y '''antisimétrico''' (ν<sub>as</sub>); y cuatro modos de '''flexión''': '''tijera''' (δ), '''balanceo''' (ρ), '''meneo''' (ω) y '''torsión''' (τ), como se muestra a continuación. Las estructuras que no tienen los dos grupos X adicionales adjuntos tienen menos modos porque algunos modos están definidos por relaciones específicas con esos otros grupos adjuntos. Por ejemplo, en el agua, los modos de balanceo, meneo y torsión no existen porque estos tipos de movimientos de los átomos de H representan una simple rotación de toda la molécula en lugar de vibraciones dentro de ella. En el caso de moléculas más complejas, también pueden estar presentes modos vibracionales '''fuera del plano''' (γ).
Estas figuras no representan el "[[retroceso]]" de los átomos de [[Carbono|C]], que, aunque están necesariamente presentes para equilibrar los movimientos generales de la molécula, son mucho más pequeños que los movimientos de los átomos de [[Hidrógeno|H]] más ligeros.
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==== Muestras sólidas ====
Las muestras sólidas se pueden preparar de diversas formas. Un método común es triturar la muestra con un agente triturador aceitoso (generalmente aceite mineral [[Nujol]]). Se aplica una fina película de [[mull]] sobre placas de sal y se mide. El segundo método consiste en moler finamente una cantidad de la muestra con una sal especialmente purificada (generalmente [[bromuro de potasio]]) (para eliminar los efectos de dispersión de los cristales grandes). Esta mezcla de polvo se prensa luego en una [[prensa mecánica|prensa]] mecánica para formar una pastilla translúcida a través de la cual puede pasar el haz del espectrómetro.
En [[Espectroscopía fotoacústica|espectroscopia fotoacústica,]] la necesidad de tratamiento de la muestra es mínima. La muestra, líquida o sólida, se coloca en la copa de muestra que se inserta en la celda fotoacústica que luego se sella para la medición. La muestra puede ser una pieza sólida, en polvo o básicamente en cualquier forma para la medición. Por ejemplo, se puede insertar un trozo de roca en la copa de muestra y medir el espectro.
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Una forma común de comparar con una referencia es secuencialmente: primero mida la referencia, luego reemplace la referencia por la muestra y mida la muestra. Esta técnica no es perfectamente confiable; Si la lámpara de infrarrojos es un poco más brillante durante la medición de referencia, luego un poco más tenue durante la medición de la muestra, la medición se distorsionará. Los métodos más elaborados, como una configuración de "dos haces" (ver figura), pueden corregir este tipo de efectos para dar resultados muy precisos. El método de [[Adición de estándar|adición estándar]] se puede utilizar para cancelar estadísticamente estos errores.
Sin embargo, entre las diferentes técnicas basadas en la absorción que se utilizan para la detección de especies gaseosas, la [[Espectroscopia de anillo de cavidad|espectroscopia de cavidad de anillo]] (CRDS) se puede utilizar como un método sin calibración. El hecho de que el CRDS se base en las mediciones de la vida útil de los fotones (y no en la intensidad del láser) hace que no sea necesario realizar ninguna calibración y comparación con una referencia.
=== FTIR ===
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La '''espectroscopía de infrarrojos por [[transformada de Fourier]] (FTIR)''' es una técnica de medición que permite registrar espectros de infrarrojos. La luz infrarroja se guía a través de un [[Interferometría|interferómetro]] y luego a través de la muestra (o viceversa). Un espejo móvil dentro del aparato altera la distribución de la luz infrarroja que pasa a través del interferómetro. La señal registrada directamente, denominada "interferograma", representa la salida de luz en función de la posición del espejo. Una técnica de procesamiento de datos llamada [[transformada de Fourier]] convierte estos datos en bruto en el resultado deseado (el espectro de la muestra): Salida de luz en función de la [[Longitud de onda|longitud]] infrarroja (o equivalentemente, [[número de onda]]). Como se describió anteriormente, el espectro de la muestra siempre se compara con una referencia.
Un método alternativo para adquirir espectros es el método "dispersivo" o "[[monocromador]] de barrido". En este enfoque, la muestra se irradia secuencialmente con varias longitudes de onda únicas. El método dispersivo es más común en [[Espectroscopia ultravioleta-visible|espectroscopía UV-Vis]], pero es menos práctico en el infrarrojo que el método FTIR. Una razón por la que se favorece el FTIR se denomina " [[La ventaja de Fellgett|ventaja de Fellgett]] " o "ventaja de multiplexación": la información en todas las frecuencias se recopila simultáneamente, lo que mejora tanto la velocidad como la [[Relación señal/ruido|relación señal-ruido]]. Otro se llama "Ventaja de rendimiento de Jacquinot": una medición dispersiva requiere detectar niveles de luz mucho más bajos que una medición FTIR.
=== Microscopía infrarroja ===
Existen varias formas de [[Microscopía|microscopía infrarroja]]. Estos incluyen versiones IR de microscopía de sub-difracción
=== Otros métodos en espectroscopia vibracional molecular ===
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Otro método es la [[espectroscopia de pérdida de energía de electrones]] (EELS), en la que la energía absorbida es proporcionada por un electrón disperso inelásticamente en lugar de un fotón. Este método es útil para estudiar las vibraciones de moléculas [[Adsorción|adsorbidas]] en una superficie sólida.
Recientemente, la [[Espectroscopia de pérdida de energía de electrones de alta resolución|EELS de alta resolución]] (HREELS) ha surgido como una técnica para realizar espectroscopía vibracional en un [[microscopio electrónico de transmisión]] (TEM).
=== Microscopía infrarroja computacional ===
Mediante el uso de [[Simulación|simulaciones]] por computadora y análisis en [[modo normal]], es posible calcular frecuencias teóricas de moléculas.
== Bandas de absorción ==
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=== Regla de Badger ===
Para muchos tipos de muestras, las asignaciones son conocidas, es decir, qué deformaciones de enlace están asociadas con qué frecuencia. En tales casos, se puede obtener más información sobre la fuerza de un vínculo, basándose en la directriz empírica llamada '''Regla de Badger'''. Publicado originalmente por [[Richard McLean Badger]] en 1934,
== Usos y aplicaciones ==
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También se utiliza en [[Ciencia forense|análisis forenses]] en casos penales y civiles, por ejemplo, para identificar la [[Degradación polimérica|degradación de polímeros]]. Se puede utilizar para determinar el [[Control de alcoholemia|contenido de alcohol en sangre]] de un presunto conductor ebrio.
La espectroscopia IR se ha utilizado con éxito en el análisis y la identificación de [[Pigmento|pigmentos]] en [[Pintura|pinturas]]
Una forma útil de analizar muestras sólidas sin la necesidad de cortar muestras utiliza ATR o espectroscopía de [[reflectancia total atenuada]]. Con este enfoque, las muestras se presionan contra la cara de un solo cristal. La radiación infrarroja atraviesa el cristal y solo interactúa con la muestra en la interfaz entre los dos materiales.
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La espectroscopia infrarroja también es útil para medir el grado de polimerización en la fabricación de [[Polímero|polímeros]]. Los cambios en el carácter o la cantidad de un vínculo en particular se evalúan midiendo a una frecuencia específica a lo largo del tiempo. Los instrumentos de investigación modernos pueden tomar medidas infrarrojas en el rango de interés con una frecuencia de hasta 32 veces por segundo. Esto se puede hacer mientras se realizan mediciones simultáneas utilizando otras técnicas. Esto hace que las observaciones de reacciones y procesos químicos sean más rápidas y precisas.
La espectroscopia infrarroja también se ha utilizado con éxito en el campo de la microelectrónica de semiconductores:
Otra aplicación importante de la espectroscopia infrarroja es en la [[industria alimentaria]] para medir la [[concentración]] de varios compuestos en diferentes productos alimenticios
Los instrumentos ahora son pequeños y se pueden transportar, incluso para su uso en pruebas de campo.
La espectroscopia infrarroja también se utiliza en dispositivos de detección de fugas de gas como los DP-IR y EyeCGA.
En febrero de 2014, la [[NASA]] anunció una base de datos muy mejorada,
Los desarrollos recientes incluyen un espectrómetro IR en miniatura que está vinculado a una base de datos basada en la nube y es adecuado para el uso diario personal,
== Efectos isotopos ==
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El '''análisis de espectroscopia de correlación infrarroja bidimensional''' combina múltiples muestras de espectros infrarrojos para revelar propiedades más complejas. Al extender la información espectral de una muestra perturbada, se simplifica el análisis espectral y se mejora la resolución. Los espectros 2D sincrónicos y 2D asincrónicos representan una descripción gráfica de los cambios espectrales debidos a una perturbación (como un cambio de concentración o de temperatura), así como la relación entre los cambios espectrales en dos números de onda diferentes.
[[Archivo:2dir_pulse_sequence_newversion.png|miniaturadeimagen|300x300px| Secuencia de pulsos utilizada para obtener un espectro infrarrojo de transformada de Fourier bidimensional. El período de tiempo <math>\tau_1</math> se suele denominar tiempo de coherencia y el segundo período de tiempo <math>\tau_2</math>Es conocido como el tiempo de espera. La frecuencia de excitación se obtiene mediante la transformada de Fourier a lo largo del <math>\tau_1</math>eje. ]]
La '''espectroscopia infrarroja bidimensional no lineal'''
Al igual que con la espectroscopia de resonancia magnética nuclear bidimensional ([[2DNMR]]), esta técnica extiende el espectro en dos dimensiones y permite la observación de picos cruzados que contienen información sobre el acoplamiento entre diferentes modos. En contraste con 2DNMR, la espectroscopia infrarroja bidimensional no lineal también implica la excitación de armónicos. Estas excitaciones dan como resultado picos de absorción en estado excitado ubicados debajo de los picos diagonales y cruzados. En 2DNMR, se utilizan con frecuencia dos técnicas distintas, [[Espectroscopia de correlación|COSY]] y [[Espectroscopia de correlación|NOESY]]. Los picos cruzados en el primero están relacionados con el acoplamiento escalar, mientras que en el segundo están relacionados con la transferencia de espín entre diferentes núcleos. En espectroscopía infrarroja bidimensional no lineal, se han extraído análogos de estas técnicas 2DNMR. La espectroscopia infrarroja bidimensional no lineal con tiempo de espera cero corresponde a COSY, y la espectroscopia infrarroja bidimensional no lineal con tiempo de espera finito que permite la transferencia de población vibratoria corresponde a NOESY. La variante COSY de espectroscopia infrarroja bidimensional no lineal se ha utilizado para la determinación del contenido de estructura secundaria de proteínas.
== Véase también ==
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