Espectroscopía Infrarroja (IR)

Conceptos Fundamentales

• Espectro infrarrojo: Estos espectros pueden ser considerados como las huellas dactilares de una sustancia, ya que son únicos para cada compuesto.
• Regiones del infrarrojo: Son las secciones en las que se divide la banda del infrarrojo: cercano, medio y lejano.
• Número de onda: Corresponde a la cantidad de ondas de radiación infrarroja contenidas en un centímetro (cm⁻¹).
• Vibraciones de tensión: Son un tipo de vibraciones moleculares que incluyen la simétrica y la antisimétrica.
• Temperatura de la fuente de radiación IR: Las temperaturas alcanzadas por una fuente de radiación IR se encuentran típicamente entre 1500 K y 2200 K.
• Tipos de detectores para IR: Incluyen detectores térmicos, piroeléctricos y fotoconductores.
• Detector en un espectrómetro de transformada de Fourier (FT-IR): Generalmente se utilizan detectores fotoconductores por su alta sensibilidad y rapidez.
• Detectores térmicos: Con estos dispositivos se mide el incremento de temperatura que resulta cuando un pequeño cuerpo negro absorbe la radiación.
• Interferómetro de Michelson: Es un dispositivo óptico que divide un haz de radiación en dos de similar potencia radiante y posteriormente los recombina para generar un interferograma.
• FT-IR (Espectroscopía de Infrarrojo por Transformada de Fourier): En este equipo, el espectro se obtiene a partir de la transformada de Fourier de un interferograma, que es el resultado de promediar múltiples barridos o pulsos acumulados en la memoria de la computadora.

Cromatografía

Principios Fundamentales

La cromatografía es una técnica fisicoquímica para la separación de los componentes de una mezcla, aprovechando los equilibrios diferenciales entre dos fases:

• Fase móvil: Es un fluido (puede ser gas, líquido o fluido supercrítico) que se usa como portador de la mezcla y la transporta a través de la fase estacionaria.
• Fase estacionaria: Puede ser un sólido o un líquido dispuesto sobre un sólido que actúa como soporte, de gran área superficial, y que retiene selectivamente los componentes de la mezcla.

Procesos de Retención

• Absorción: Es la retención de una especie química por parte de toda una masa (el volumen del material) y depende de la tendencia que tiene esta a formar una mezcla o reaccionar químicamente con la misma.
• Adsorción: Es la retención de una especie química en una superficie interfacial.

Resonancia Magnética Nuclear (RMN)

Conceptos Básicos de RMN

• Definición: La Resonancia Magnética Nuclear (RMN) es una técnica espectroscópica que proporciona información detallada acerca de la estructura de los átomos de carbono e hidrógeno (C-H) de un compuesto orgánico.
• Componentes del espectrómetro de RMN: Consta de un imán superconductor, un sistema de radiofrecuencia, un detector y un sistema de procesamiento de datos (computadora).
• Núcleo activo en RMN: El núcleo atómico con un número de espín nuclear (I) diferente de cero (generalmente con número impar de protones o neutrones) es el que produce una señal de RMN.
• La integral: Es el área bajo la señal y nos permite determinar el número relativo de hidrógenos que la generan.
• Multiplicidad: Es el nombre que reciben los picos de las señales (ej. singlete, doblete, triplete). Depende del número de hidrógenos vecinos al núcleo que da la señal.
• Campos de aplicación: Química analítica, farmacología, química orgánica y diagnóstico médico (Imagen por Resonancia Magnética o IRM).

Preguntas y Respuestas sobre RMN

• ¿Qué significan las siglas RMN?
  Resonancia Magnética Nuclear.
• ¿Cómo se llama la gráfica que muestra las señales de RMN?
  Espectro de RMN.
• ¿Se puede llevar a cabo la técnica RMN con cualquier núcleo?
  No, solo con aquellos que tienen un número de espín diferente de cero. Isótopos clave como ¹H, ¹³C, ¹⁹F y ³¹P son ampliamente utilizados.
• ¿Qué campo magnético se usa en el proceso de RMN?
  Un campo magnético muy intenso y homogéneo, por ejemplo, de 1.5 Tesla (T) o más.
• ¿Qué sucede con los espines en la RMN?
  Son excitados por un pulso de radiofrecuencia (ej. 90°), y luego se «relajan» o desexcitan, regresando a su estado original y emitiendo una señal detectable.
• ¿Qué tipo de radiación utiliza la técnica de RMN?
  Ondas de radiofrecuencia.
• ¿Qué generan los protones nucleares al girar sobre sí mismos?
  Un pequeño campo magnético, conocido como momento magnético nuclear.
• ¿Qué proceso permite la absorbancia de energía?
  La resonancia, que ocurre cuando la frecuencia de la radiación coincide con la diferencia de energía entre los estados de espín del núcleo en el campo magnético.

Espectroscopía Atómica

Espectroscopía de Emisión Atómica (EEA o AES)

¿Qué es la espectroscopia por emisión atómica?

Es una técnica analítica que determina la presencia y concentración de elementos midiendo la radiación (longitudes de onda) emitida por átomos excitados cuando regresan a estados de menor energía. Se considera una medida de la radiación de emisión electromagnética.

Tipos de espectroscopia de emisión

Dos tipos comunes son:

• Emisión atómica por llama (FAES)
• Espectroscopia de emisión por excitación en plasma acoplado inductivamente (ICP-OES)

Características de una emisión atómica ideal

Las características ideales incluyen:

• Átomos previamente excitados de manera eficiente.
• Una emisión estable y sin interferencias.
• Líneas espectrales bien definidas (estrechas).
• Intensidad de emisión proporcional a la concentración del elemento.
• Buena reproducibilidad y alta relación señal/ruido.

Espectroscopía de Absorción Atómica (EAA o AAS)

Fundamento de la EAA

La Espectrofotometría de Absorción Atómica (AAS) tiene como fundamento la absorción de radiación de una longitud de onda determinada por parte de los átomos en estado fundamental.

Componentes principales de un espectrofotómetro de absorción atómica

Los componentes principales son:

1. Fuente de emisión (ej. lámpara de cátodo hueco)
2. Sistema de atomización (ej. quemador y nebulizador)
3. Monocromador
4. Detector
5. Amplificador
6. Sistema de lectura o registro

Componentes y procesos clave en EAA

• Lámpara de cátodo hueco (LCH): Consiste en un ánodo de wolframio (tungsteno) y un cátodo cilíndrico del elemento a analizar, cerrados herméticamente en un tubo de vidrio lleno con un gas inerte (neón o argón) a una presión de 1 a 5 torr. Es la fuente de radiación específica.
• Nebulizador: Transforma la muestra líquida en un aerosol fino que es introducido en la llama.
• Mezcla de gases común: La mezcla más empleada en absorción atómica es acetileno y aire.
• Nebulización: Proceso donde la disolución se convierte en niebla o aerosol líquido.
• Zona atomizada: Zona de la llama rica en átomos libres en estado fundamental, empleada para las medidas de absorción de radiación.

Preguntas y Respuestas sobre Espectroscopía Atómica

Conceptos Generales

• ¿Qué tipo de energía provoca la emisión de luz en los átomos?
  Energía térmica (llama, plasma) o eléctrica (arco, chispa).
• ¿Qué ocurre cuando los electrones regresan a su nivel original?
  Emiten el exceso de energía en forma de luz o radiación electromagnética.
• ¿Qué instrumento se usa para separar las longitudes de onda emitidas?
  Un espectrómetro o un monocromador.
• ¿De qué depende el color (longitud de onda) de la luz emitida por un elemento?
  De la diferencia de energía entre los niveles electrónicos involucrados en la transición.
• ¿Cuál es el estado más estable de un átomo?
  El estado fundamental.

Comparativa y Procedimientos

• ¿En qué radica la diferencia esencial entre la espectroscopía de absorción atómica (AAS) y la de emisión atómica (AES)?
  La diferencia principal es que en AES se mide la radiación que emiten los átomos excitados, mientras que en AAS se mide la radiación que los átomos absorben de una fuente externa.
• ¿Cuál es la diferencia instrumental clave entre los equipos de EEA y EAA?
  La EAA requiere una fuente de radiación externa (la Lámpara de Cátodo Hueco, LCH), que no es necesaria en la EEA, donde la muestra misma es la fuente de emisión.
• ¿Por qué cada elemento químico emite un espectro propio y característico?
  Porque cada elemento tiene niveles de energía electrónicos únicos. Al desexcitarse, los electrones emiten luz con longitudes de onda específicas, creando un espectro que actúa como una huella dactilar.
• ¿Qué beneficios presenta la espectroscopía de emisión de llama (FAES) para analizar metales alcalinos y alcalinotérreos?
  Es ideal porque estos metales tienen bajas energías de excitación. Sus ventajas incluyen espectros simples con menos interferencias y alta precisión para Na, K y Ca.
• ¿Cuál es el procedimiento general para preparar una muestra alimenticia para su análisis por espectroscopía atómica?
  Generalmente, se calcina el alimento para eliminar la materia orgánica y la ceniza resultante se disuelve en agua o un ácido diluido.
• ¿Para qué se optimiza el equipo de absorción atómica?
  Para obtener una alta señal de absorbancia (lo que da sensibilidad) y una señal estable (lo que da precisión).
• ¿Cuáles son los pasos para optimizar un equipo de AA?
  Alinear el haz de radiación sobre el quemador, ajustar el nebulizador y optimizar los flujos de gases.
• ¿En qué consiste una digestión ácida?
  Es un ataque químico con un ácido fuerte y calor (en sistema abierto o cerrado) que tiene como fin destruir la materia orgánica (MO) de la muestra para liberar los elementos de interés en una solución analizable.