7 métodos probados: Guía de preparación de muestras para espectroscopia IR

Resumen

La espectroscopia infrarroja (IR) es una potente técnica analítica para identificar sustancias químicas midiendo su absorción de radiación infrarroja. Sin embargo, la calidad y la interpretabilidad de un espectro IR dependen fundamentalmente de la preparación meticulosa de la muestra. Este documento proporciona un examen exhaustivo de las metodologías implicadas en la preparación de muestras para el análisis por infrarrojos con transformada de Fourier (FTIR). Explora sistemáticamente siete técnicas distintas y probadas aplicables a sólidos, líquidos y gases, aclarando los fundamentos teóricos y la ejecución práctica de cada una de ellas. La discusión abarca métodos tradicionales como la creación de pastillas de bromuro de potasio (KBr) y mulls Nujol, así como enfoques modernos y simplificados como la reflectancia total atenuada (ATR). Además, se detallan técnicas para el análisis de películas finas, medidas en fase líquida y gaseosa, y métodos especializados como la Reflectancia Difusa (DRIFTS). El objetivo es dotar a los investigadores, técnicos y estudiantes de los conocimientos necesarios para seleccionar y ejecutar correctamente la técnica de preparación de muestras adecuada, minimizando así errores comunes como la dispersión de la luz y la contaminación por humedad para obtener datos espectrales precisos, reproducibles y significativos.

Principales conclusiones

• Seleccione el método de preparación que mejor se adapte al estado físico y a las propiedades de su muestra.
• Seque bien la muestra y los materiales de la matriz para evitar que los picos de agua oscurezcan los datos.
• Triturar las muestras sólidas hasta un tamaño de partícula inferior a la longitud de onda IR para reducir la dispersión de la luz.
• Dominar cómo preparar la muestra para la espectroscopia IR es un camino directo hacia la adquisición de datos fiables.
• Limpie meticulosamente todas las herramientas y ópticas entre muestra y muestra para evitar la contaminación cruzada.
• Utilice materiales transparentes al IR como NaCl, KBr o ZnSe para las ventanas, los gránulos y la construcción de las células.
• Garantice un excelente contacto físico entre la muestra y el cristal para obtener espectros ATR de alta calidad.

Índice

• Preludio filosófico a la preparación de muestras
• Principios fundamentales de la integridad de las muestras de IR
• Método 1: El arte perdurable de la pastilla KBr para sólidos
• Método 2: La técnica Mull: una forma de arte basada en la suspensión
• Método 3: Reflectancia total atenuada (RTA): el paradigma moderno
• Método 4: Análisis en capa fina de polímeros y materiales solubles
• Método 5: Examen directo de líquidos y soluciones
• Método 6: Captar la libertad de las moléculas en fase gaseosa
• Método 7: Técnicas de reflectancia avanzadas y especializadas
• Elegir el camino correcto: Un marco para la toma de decisiones
• Comparación de los gránulos de KBr y las pastillas de Nujol
• Cómo elegir un método de preparación según el estado de la muestra
• Cómo ajustar el método a su objetivo experimental
• Preguntas más frecuentes (FAQ)
• Reflexión final sobre la práctica y la precisión
• Referencias

Preludio filosófico a la preparación de muestras

To approach the subject of preparing a sample for infrared spectroscopy is to engage in a dialogue between the material world and our abstract understanding of it. The spectrometer, a marvel of optical and computational engineering, stands ready to translate the silent dance of molecular vibrations into a rich, graphical language. Yet, this sophisticated instrument is entirely at the mercy of the specimen we present to it. The spectrum it produces is not an unmediated revelation of the substance’s soul, but a story told through the filter of our preparatory actions. A poorly prepared sample is akin to a garbled, whispered message; the intended meaning is lost in the noise. Conversely, a meticulously prepared sample allows the molecule to speak clearly, revealing its structural identity, its functional groups, its very essence, with profound clarity. Our task, then, is not merely a mechanical procedure. It is an act of intellectual and practical rigor, demanding an empathetic understanding of the sample’s nature. Is it a crystalline solid, whose rigid lattice might scatter light if not tamed? Is it a viscous liquid, whose path length must be controlled with precision? Or is it an amorphous polymer, whose story is best told when cast as a uniform, transparent film? The choice of method is a philosophical commitment, a decision about how best to reveal the truth of the substance without imposing our own artifacts upon it. Each technique, from the classic KBr pellet to the modern ATR accessory, carries its own set of assumptions and potential pitfalls. To learn how to prepare sample for IR spectroscopy is to learn the art of asking the right questions of our material, ensuring the answers we receive are both genuine and legible.

Principios fundamentales de la integridad de las muestras de IR

Antes de explorar las técnicas específicas, debemos establecer los principios universales que rigen un análisis IR satisfactorio. La calidad de un espectro no nace en el espectrómetro, sino en las acciones de laboratorio que preceden a la medición. Piense en estos principios como las leyes constitucionales de la buena práctica espectroscópica; violarlos conduce a resultados ambiguos o engañosos.

La tiranía del agua

El agua es el adversario omnipresente en la espectroscopia del infrarrojo medio. La molécula de agua (H₂O) posee una vibración de estiramiento O-H fuerte y amplia que suele aparecer en la región de 3200-3600 cm-¹. También tiene una vibración de flexión H-O-H alrededor de 1640 cm-¹. Como estas bandas de absorción son tan intensas, incluso trazas de humedad en una muestra o en la atmósfera circundante pueden dominar el espectro, oscureciendo los picos más sutiles e informativos del analito. La naturaleza higroscópica de materiales comunes como el bromuro de potasio (KBr) hace que esto sea un reto perpetuo. Por lo tanto, el primer mandamiento de la preparación de muestras de IR es: Mantendrás la muestra, los materiales y el equipo lo más secos posible. Esto suele implicar almacenar las sales de halogenuros alcalinos en un desecador o secarlas en un horno antes de su uso.

El problema de la dispersión de la luz

En el caso de las muestras sólidas, sobre todo en los métodos de transmisión, la forma física es tan importante como la composición química. Cuando el tamaño de las partículas de un sólido es comparable o mayor que la longitud de onda de la luz infrarroja (que oscila aproximadamente entre 2,5 y 25 micrómetros), la luz se dispersa en lugar de transmitirse. Este fenómeno, conocido como efecto Christiansen, da lugar a formas de pico distorsionadas y a una línea de base inclinada e irregular, lo que dificulta la interpretación del espectro. La solución consiste en reducir el tamaño de las partículas de la muestra a un polvo fino y uniforme, idealmente con partículas inferiores a 2 micrómetros. Esta es la razón por la que una parte importante de la preparación de muestras sólidas implica una molienda enérgica y minuciosa.

Concentración y ley de Beer-Lambert

La espectroscopia infrarroja puede ser tanto cualitativa (¿Qué es?) como cuantitativa (¿Cuánto hay?). Para ambos fines, la concentración de la muestra en el haz IR es una consideración primordial. La ley de Beer-Lambert establece que la absorbancia es directamente proporcional a la concentración del analito y a la longitud del recorrido del haz a través de la muestra (A = εbc).

• Demasiada muestra (o un recorrido demasiado largo): Si la muestra está demasiado concentrada, absorberá toda la radiación infrarroja en sus frecuencias características. Esto da lugar a picos "planos" que alcanzan 100% de absorbancia (o 0% de transmitancia). Se pierde información sobre la verdadera intensidad y forma del pico, lo que imposibilita el análisis cuantitativo y dificulta la identificación cualitativa.
• Demasiada poca muestra (o un recorrido demasiado corto): Si la muestra está demasiado diluida, los picos de absorción resultantes serán débiles y apenas se distinguirán del ruido de fondo. La relación señal/ruido será deficiente y es posible que no se detecten grupos funcionales débiles pero importantes.

El objetivo es preparar una muestra en la que la banda de absorción más intensa tenga un valor de transmitancia comprendido entre 10% y 70% aproximadamente (o una absorbancia entre 0,15 y 1,0 aproximadamente). Esto requiere un control cuidadoso de la cantidad de muestra utilizada. Tabla 1: Comparación de los métodos habituales de preparación de muestras sólidas

Característica	Método KBr Pellet	Técnica Mull	Reflectancia total atenuada (ATR)
Principio	Muestra dispersa en una matriz sólida transparente	Muestra suspendida en un líquido viscoso	Sondas de ondas evanescentes superficie de la muestra
Importe de la muestra	1-2 mg	2-5 mg	<1 mg a varios mg
Tiempo de preparación	10-20 minutos	5-10 minutos	<1 minuto
Nivel de conocimientos	Alta (requiere práctica)	Medio	Bajo
Capacidad cuantitativa	Posible, pero difícil	Deficiente (difícil de controlar la longitud del trayecto)	De bueno a excelente (reproducible)
Artefactos comunes	Picos de agua, dispersión, efecto Christiansen	Picos de mulling agent, dispersión	Cambios de banda, problemas de contacto
Lo mejor para...	Espectros de transmisión de alta resolución, bibliotecas	Muestras sensibles al agua o reactivas, exploraciones cualitativas rápidas	Polvos, líquidos, polímeros, muestras opacas; análisis de rutina

Método 1: El arte perdurable de la pastilla KBr para sólidos

El método de la pastilla de bromuro de potasio (KBr) es una de las técnicas más antiguas y respetadas para analizar muestras sólidas en modo de transmisión. Es capaz de producir espectros de excepcional calidad cuando se ejecuta con habilidad y paciencia. El método consiste en mezclar íntimamente una pequeña cantidad de la muestra sólida con un gran exceso de polvo de KBr de gran pureza y transparente al IR. A continuación, esta mezcla se prensa a alta presión en una matriz para formar un pequeño disco o gránulo transparente, que puede colocarse directamente en el portamuestras del espectrómetro.

La razón de ser de los halogenuros alcalinos

La elección del material de la matriz se rige por un simple requisito: debe ser transparente a la radiación infrarroja en la región de interés (normalmente 4000-400 cm-¹). Los haluros alcalinos, como el bromuro de potasio (KBr) y el cloruro de sodio (NaCl), se ajustan perfectamente a este criterio. Son sales iónicas que forman redes cristalinas, que no tienen modos vibracionales en el rango medio del IR. El KBr resulta especialmente favorecido porque es blando y maleable, y fluye bajo presión para formar un disco cohesivo y transparente que encapsula eficazmente las partículas de la muestra. El NaCl es una alternativa, aunque es más duro y requiere más presión. Es crucial utilizar KBr de calidad espectroscópica, ya que las impurezas pueden introducir sus propias bandas de absorción no deseadas.

Guía paso a paso para crear un pellet perfecto

La creación de una pastilla KBr es una forma de artesanía de laboratorio. Cada paso es vital para la calidad final del espectro.

1. Secado de los materiales: Como se ha indicado anteriormente, el KBr es higroscópico. Comience secando una pequeña cantidad de polvo de KBr de grado espectroscópico en un horno a ~110°C durante varias horas. Guárdelo en un desecador hasta que esté listo para su uso. La propia muestra también debe secarse a fondo, si es posible.
2. Molienda y mezcla: Coloque aproximadamente 100-200 mg del KBr seco en un mortero de ágata limpio y seco. Añada 1-2 mg de su muestra sólida. La proporción es clave; un error común es utilizar demasiada muestra. La concentración ideal de la muestra está entre 0,5% y 1,0% en peso. Comience a moler la mezcla enérgicamente. El objetivo es reducir simultáneamente el tamaño de las partículas de la muestra por debajo de 2 µm para evitar la dispersión de la luz y distribuir estas partículas finas homogéneamente por toda la matriz de KBr. La mezcla final debe ser un polvo que fluya libremente, similar a la harina, sin grumos visibles de la muestra.
3. Cargar el dado: Transfiera con cuidado la mezcla de polvo al cuello de una matriz de granulado. Golpee suavemente el troquel para asegurarse de que el polvo forme una superficie nivelada. Coloque el émbolo encima.
4. Presionando el Pellet: Coloque el troquel montado en una prensa hidráulica. A menudo resulta beneficioso aplicar vacío al conjunto del troquel durante unos minutos antes y durante el prensado. De este modo se elimina el aire atrapado, que puede enturbiar o agrietar el granulado al liberar la presión. Aplique presión gradualmente, aumentando hasta un valor final de aproximadamente 8-10 toneladas (o ~10.000 psi). Mantenga esta presión durante varios minutos para permitir que el KBr fluya y forme un disco sólido.
5. Liberación e inspección: Suelte la presión de la prensa lentamente. Una liberación rápida puede hacer que el perdigón se rompa. Desmonte el troquel con cuidado y extraiga el perdigón. Un buen perdigón será translúcido o incluso perfectamente transparente, como una pequeña ventana de cristal.

Solución de problemas comunes con pellets

El camino hacia un granulado perfecto está plagado de posibles frustraciones. Comprender sus causas es la clave para superarlas.

• Pastilla turbia u opaca: Es el problema más frecuente. Su causa principal es la contaminación por humedad, ya sea del KBr, de la muestra o de la humedad ambiental. Otra causa importante es un molido insuficiente, que provoca la dispersión de la luz. Por último, si se utiliza demasiada muestra, el gránulo se vuelve opaco.
• Pellets agrietados o quebradizos: Esto suele deberse al aire atrapado en el polvo. Utilizar un troquel de vacío o aplicar y liberar presión unas cuantas veces antes del prensado final puede ayudar a expulsar el aire. Liberar la presión demasiado rápido después de la formación también puede inducir fracturas por tensión.
• Espectro con línea de base inclinada: Este es un signo clásico de dispersión de la luz por partículas demasiado grandes. La solución es volver al mortero y moler la mezcla muestra-KBr más a fondo.
• Picos anómalos: La aparición de un pico amplio cerca de 3450 cm-¹ y otro más agudo alrededor de 1640 cm-¹ es la firma inconfundible del agua. Si observa picos agudos inesperados, podría deberse a la contaminación de una muestra anterior en el mortero o el dado, o a impurezas en el propio KBr.

Método 2: La técnica Mull: una forma de arte basada en la suspensión

La técnica mull ofrece una alternativa más rápida y sencilla al método de pellets de KBr para preparar muestras sólidas. Es especialmente útil para muestras sensibles a la humedad, que podrían reaccionar con la matriz de KBr bajo presión o que son difíciles de moler en un pellet. En lugar de dispersar la muestra en una matriz sólida, la técnica de mulling consiste en suspender la muestra finamente molida en un líquido viscoso y transparente al IR, conocido como agente de mulling.

Cuándo elegir un casco en lugar de un pellet

Aunque el método de la pastilla de KBr puede producir espectros de mayor resolución, la técnica mull presenta claras ventajas en determinadas situaciones. Se trata fundamentalmente de un método cualitativo, ya que es muy difícil reproducir con exactitud la longitud del trayecto y la concentración. Elija un mull cuando:

• Necesita una encuesta rápida y cualitativa de una muestra sólida.
• Se sabe que la muestra es reactiva con haluros alcalinos (por ejemplo, algunas sales de aminas pueden sufrir intercambio iónico con KBr).
• La muestra es sensible a las altas presiones de una prensa granuladora.
• La muestra es cerosa o aceitosa y no se tritura bien con KBr.
• Se busca la presencia o ausencia de grupos funcionales específicos en lugar de realizar una elucidación estructural detallada.

Selección del agente de mulling adecuado

El agente de mullido ideal es un líquido químicamente inerte, no volátil y con un espectro infrarrojo muy simple, con pocas bandas de absorción. Ninguna sustancia es perfecta por sí sola, por lo que suele utilizarse una combinación de dos agentes diferentes para obtener una imagen completa.

• Nujol (aceite mineral): Es el agente de mullido más común. El nujol es una parafina pesada, una mezcla de hidrocarburos saturados de cadena larga. Su espectro es muy simple y muestra fuertes bandas de estiramiento C-H (~2850-2960 cm-¹) y bandas de flexión C-H (~1460 cm-¹ y ~1375 cm-¹). Es transparente en la mayor parte del resto de la región del infrarrojo medio.
• Fluorolube (Hidrocarburo perfluorado): Cuando las regiones C-H oscurecidas por Nujol son de interés, se prepara un segundo mull utilizando Fluorolube. Este material está formado por enlaces C-F, que absorben fuertemente en los números de onda más bajos (por debajo de 1300 cm-¹). Su espectro es claro en la región de estiramiento C-H.

Si ejecuta un espectro de la muestra en Nujol y un segundo espectro en Fluorolube, puede empalmar mentalmente (o con software) los dos espectros para crear un compuesto que muestre las verdaderas absorciones de la muestra en todo el rango.

El arte de preparar un mate

1. Molienda de la muestra: Colocar una pequeña cantidad de la muestra sólida (normalmente 2-5 mg) en una placa de sal plana y pulida (por ejemplo, NaCl o KBr) o en un mortero de ágata. Tritúrela hasta obtener un polvo fino.
2. Añadir el agente de mulling: Añada una o dos pequeñas gotas del agente de mulling (por ejemplo, Nujol).
3. Creación de la pasta: Con una espátula o el mortero, seguir triturando y mezclando el polvo y el líquido hasta formar una pasta lisa y uniforme. La consistencia debe ser similar a la de una crema espesa o una pasta de dientes. El objetivo es que el índice de refracción del agente de mullido coincida con el de las partículas en suspensión, lo que minimiza la dispersión.
4. Montaje de la muestra: Raspe la pasta sobre una placa de sal. Coloque una segunda placa de sal encima y gire suavemente las placas una contra otra para extender la pasta en una película fina y uniforme y para eliminar las burbujas de aire atrapadas. La película final debe parecer ligeramente translúcida, pero no transparente.
5. Análisis: Coloque el "sándwich" de placas de sal en el portamuestras del espectrómetro y adquiera el espectro.

Errores comunes y cómo evitarlos

• Mulling Agent Peaks Domina: Esto ocurre cuando se utiliza demasiado mulling agent en relación con la muestra. Los picos de la muestra aparecerán pequeños encima de las bandas grandes de Nujol o Fluorolube. Utilice sólo la cantidad mínima de líquido necesaria para crear la pasta.
• Dispersión y mala forma de los picos: Esto indica que el sólido inicial no se molió lo suficientemente fino antes o durante el proceso de mullido. Las partículas siguen siendo demasiado grandes.
• Sin espectro (o espectro muy débil): Esto puede ocurrir si el mull es demasiado espeso, provocando una absorción total, o si simplemente no hay suficiente muestra en la pasta.
• Burbujas de aire: Éstas pueden provocar una dispersión significativa y variaciones en la longitud del trayecto. Asegúrate de exprimirlas al presionar las dos placas de sal entre sí.

Método 3: Reflectancia total atenuada (RTA): el paradigma moderno

En las dos últimas décadas, la reflectancia total atenuada (ATR) ha revolucionado el análisis rutinario por infrarrojos, sustituyendo en gran medida a las técnicas más laboriosas de pellet y mull en muchos laboratorios. Se trata de una técnica de medición de superficies que apenas requiere preparación de la muestra, lo que la hace increíblemente rápida, versátil y fácil de usar. La disponibilidad de Accesorios de preparación de muestras FTIR basado en ATR lo ha convertido en el caballo de batalla de la espectroscopia FTIR moderna.

La física del ATR-FTIR

The principle behind ATR is elegant. Instead of passing the IR beam through the sample, the beam is directed into a crystal of high refractive index, such as diamond, zinc selenide (ZnSe), or germanium (Ge). This ATR crystal is designed so that the IR beam undergoes total internal reflection at the surface where the sample will be placed. However, this reflection is not perfect in a quantum mechanical sense. At the point of reflection, an electromagnetic wave, known as the onda evanescentepenetra momentáneamente una distancia muy corta (normalmente de 0,5 a 2 micrómetros) desde la superficie del cristal hasta la muestra. Si la muestra puesta en contacto con el cristal tiene grupos funcionales que absorben a la frecuencia de la luz IR, absorberá energía de esta onda evanescente. Esta "atenuación" de la onda evanescente se detecta y la señal resultante se procesa para generar el espectro IR.

Por qué es tan popular el ATR: Ventajas y aplicaciones

La popularidad del RTA se debe a sus profundas ventajas prácticas:

• Preparación mínima de la muestra: Para la mayoría de los sólidos y líquidos, basta con colocar la muestra sobre el cristal de ATR, aplicar presión para garantizar un buen contacto y ejecutar el escaneado. Los polvos pueden analizarse directamente, los polímeros pueden presionarse contra el cristal y basta con una gota de líquido.
• Velocidad: Un análisis puede completarse en menos de un minuto, en comparación con los 10-20 minutos necesarios para un pellet de KBr.
• Versatilidad: El ATR permite analizar una amplia gama de tipos de muestras: polvos duros, polímeros blandos, pastas, geles, tejidos y soluciones acuosas. Como la longitud del trayecto es tan corta e independiente de la cantidad de muestra, pueden analizarse incluso materiales muy absorbentes u opacos.
• No destructivo: La muestra no suele sufrir cambios durante el análisis y puede recuperarse por completo.
• Reproducibilidad: La longitud efectiva del camino viene determinada por las propiedades del cristal y la longitud de onda de la luz, no por cómo se haya preparado la muestra. Esto da lugar a espectros altamente reproducibles, lo que supone una ventaja significativa para el análisis cuantitativo y las aplicaciones de control de calidad.

Buenas prácticas para el análisis de las RTA

Aunque la RTA es sencilla, para obtener los mejores resultados hay que prestar atención a los detalles.

• Asegurar un buen contacto: La onda evanescente sólo se extiende a un par de micrómetros de la superficie del cristal. Por lo tanto, el contacto íntimo entre la muestra y el cristal es absolutamente esencial. En el caso de las muestras sólidas, se utiliza una pinza de presión para presionar la muestra de forma firme y constante sobre el cristal. Un contacto insuficiente dará lugar a un espectro débil y ruidoso.
• Limpie el cristal meticulosamente: Dado que la ATR es una técnica de superficie, cualquier residuo que quede en el cristal de una muestra anterior aparecerá en el siguiente espectro. Después de cada medición, el cristal debe limpiarse a fondo. Normalmente se utiliza un paño suave o un hisopo humedecido con un disolvente adecuado (como isopropanol o acetona, según la muestra y el material del cristal).
• Elija el cristal adecuado: Existen diferentes materiales de cristal ATR, y la elección depende de la muestra.
  • Diamante: Extremadamente duro, duradero y químicamente inerte. Es la mejor opción en todos los sentidos, pero también la más cara. Es perfecta para polvos duros, materiales corrosivos y usos rutinarios en los que intervienen muchos usuarios diferentes.
  • Seleniuro de zinc (ZnSe): Una alternativa común y menos costosa al diamante. Es excelente para líquidos, polvos blandos y polímeros. Sin embargo, es blando, se raya con facilidad y es atacado por ácidos y bases fuertes.
  • Germanio (Ge): Tiene un índice de refracción muy alto, lo que da lugar a una profundidad de penetración mucho menor (~0,5 µm). Esto lo hace ideal para muestras muy absorbentes (como polímeros rellenos de carbono) o para mejorar la señal de capas superficiales finas.

Tabla 2: Propiedades de los materiales transparentes a los infrarrojos más comunes

Material	Gama de números de onda utilizables (cm-¹)	Solubilidad en agua	Aplicaciones típicas
Cloruro de sodio (NaCl)	40,000 – 625	Alta (Soluble)	Ventanas de transmisión, matriz de pellets (menos común ahora)
Bromuro de potasio (KBr)	40,000 – 385	Alta (Soluble)	Matriz de pellets, ventanas de transmisión
Fluoruro de calcio (CaF₂)	70,000 – 1100	Bajo (insoluble)	Ventanas para soluciones acuosas, células de temperatura variable
Seleniuro de zinc (ZnSe)	20,000 – 650	Bajo (insoluble)	Cristales ATR (muestras blandas), ventanas de transmisión
Diamante	45.000 - 200 (Tipo IIa)	Ninguno (insoluble)	Cristal ATR universal (muestras duras, abrasivas y corrosivas)
Germanio (Ge)	5,500 – 830	Ninguno (insoluble)	Cristal ATR para muestras muy absorbentes (por ejemplo, negro de humo)

Comprender las diferencias espectrales del ATR

Es importante reconocer que un espectro ATR no es idéntico a un espectro de transmisión (como el de una pastilla de KBr). Debido a la naturaleza de la onda evanescente, la profundidad de penetración depende de la longitud de onda de la luz. La penetración es más profunda a longitudes de onda más largas (números de onda más bajos). Esto hace que las intensidades relativas de los picos en un espectro ATR aumenten en la región de bajo número de onda (huella dactilar) en comparación con la región de alto número de onda. Se trata de un efecto físico predecible, y muchos paquetes de software de espectroscopia modernos incluyen un algoritmo de "corrección ATR" de un solo clic que puede transformar el espectro ATR para que se parezca más a un espectro de transmisión, lo que facilita la comparación con bibliotecas espectrales históricas.

Método 4: Análisis en capa fina de polímeros y materiales solubles

Para muchos materiales poliméricos o sólidos que son solubles en un disolvente volátil, la preparación de una película delgada independiente o el colado de una película sobre un sustrato transparente al IR es un método excelente para el análisis. Este enfoque evita el uso de materiales de matriz como KBr o Nujol, proporcionando un espectro puro de la propia muestra. El reto clave es crear una película que sea lo suficientemente fina y uniforme para que el haz IR la atraviese sin causar una absorbancia total.

Método de colada en solución

Esta es la forma más habitual de preparar una película. El procedimiento es sencillo:

1. Disolver la muestra: Disuelva una pequeña cantidad de la muestra (por ejemplo, un polímero como el poliestireno o un sólido orgánico soluble) en un disolvente volátil adecuado. La elección del disolvente es fundamental: debe disolver completamente la muestra, evaporarse limpiamente sin dejar residuos y no reaccionar con la muestra. Los disolventes más comunes son el diclorometano, el cloroformo, la acetona o el tolueno.
2. Reparte la película: Coloque unas gotas de la solución resultante sobre una superficie limpia y plana. Puede tratarse de una placa salina transparente al IR (KBr o NaCl) o de una superficie desechable, como un portaobjetos de microscopio, de la que pueda despegarse posteriormente la película.
3. Evaporar el disolvente: Deje que el disolvente se evapore lenta y completamente. Esto puede hacerse a temperatura ambiente, a veces bajo una suave corriente de nitrógeno o en una campana extractora. La evaporación lenta ayuda a formar una película más uniforme. Si se precipita el proceso, pueden formarse burbujas o una superficie irregular y agrietada.
4. Análisis: Si se funde en una placa de sal, la placa puede montarse directamente en el espectrómetro. Si se crea una lámina independiente (por ejemplo, despegándola del vidrio), puede montarse en un soporte de cartón o metal.

El grosor de la película se controla mediante la concentración de la solución y la cantidad depositada. Pueden ser necesarios varios intentos para conseguir el grosor ideal para un buen espectro.

Fundición de termoplásticos

Para los polímeros termoplásticos que se funden a una temperatura razonable sin descomponerse, se puede formar una película a partir de una masa fundida.

1. Coloque una pequeña cantidad del polvo o gránulo de polímero entre dos placas de sal.
2. Calentar el conjunto en una placa caliente hasta justo por encima del punto de fusión del polímero.
3. Aplique una ligera presión sobre la placa superior para comprimir el polímero fundido y formar una película fina y uniforme.
4. Deje que el conjunto se enfríe lentamente hasta alcanzar la temperatura ambiente.
5. El sándwich resultante puede analizarse directamente.

Este método es rápido y evita los disolventes, pero sólo es adecuado para polímeros termoestables.

Consideraciones para la preparación de la película

La calidad de un espectro cinematográfico depende totalmente de la calidad de la película.

• Espesor y uniformidad: Una película ideal suele tener un grosor de 5-20 µm. Si la película es demasiado gruesa, los picos principales serán planos. Si es demasiado fina, la señal será débil. La falta de uniformidad en el espesor provocará una línea de base ondulada o inclinada.
• Flecos de interferencia: Las películas muy lisas y uniformes con superficies paralelas pueden actuar como un etalón óptico, produciendo una ondulación sinusoidal (franjas de interferencia) a través de la línea de base del espectro. Estas franjas a veces pueden eliminarse con software, pero a menudo es mejor evitarlas creando una superficie ligeramente menos perfecta o inclinando ligeramente la muestra en el haz.
• Disolvente residual: Es absolutamente vital que se haya evaporado todo el disolvente de colada. De lo contrario, aparecerán picos de disolvente en el espectro. Un calentamiento suave en un horno de vacío puede ayudar a eliminar los últimos restos de disolvente.

Método 5: Examen directo de líquidos y soluciones

La preparación de muestras líquidas para el análisis por IR suele ser el más sencillo de todos los procedimientos. La elección principal es entre analizar el líquido "puro" o como solución en un disolvente transparente al IR. La decisión depende de las propiedades del líquido, en particular de su viscosidad y de la intensidad de su absorbancia infrarroja.

Análisis de líquidos limpios mediante placas de sal

Para la mayoría de los líquidos orgánicos no volátiles, éste es el método más sencillo imaginable.

1. Coloque una placa de sal limpia y seca (NaCl o KBr son comunes y baratas) sobre una superficie plana.
2. Añada una sola gota del líquido puro en el centro del plato.
3. Coloque encima una segunda placa de sal.
4. La acción capilar hará que el líquido forme una fina película entre las placas. Se puede aplicar una ligera presión para ajustar el grosor. La longitud del recorrido suele ser muy corta, del orden de 0,01-0,05 mm.
5. Coloca el conjunto en el soporte universal del espectrómetro y recoge el espectro.

Este método es rápido y no requiere disolvente, pero no es adecuado para líquidos volátiles (que se evaporarían) ni para análisis cuantitativos, ya que la longitud del trayecto no está bien definida ni es reproducible.

Análisis de soluciones mediante células selladas

Para el análisis cuantitativo o para analizar líquidos volátiles, se requiere una célula sellada con una longitud de trayecto fija y conocida. Estas células, a menudo denominadas células "desmontables" o "selladas", constan de dos ventanas transparentes IR separadas por un fino espaciador (junta) de un grosor específico (por ejemplo, 0,1 mm, 0,5 mm, 1,0 mm).

1. Prepare la solución: Disolver la muestra (que puede ser un líquido o un sólido) en un disolvente IR-transparente adecuado hasta una concentración conocida (por ejemplo, 5-10% p/v).
2. Llena la celda: La célula tiene puertos de entrada y salida (a menudo conectores Luer-lok). Con una jeringa, se inyecta la solución en un puerto hasta que se llena la célula y sale líquido por el otro puerto. A continuación, los puertos se sellan con tapones.
3. Análisis: La cubeta llena se coloca en el espectrómetro. Es esencial ejecutar primero un espectro de fondo del disolvente puro exactamente en la misma celda. A continuación, el software puede sustraer automáticamente la absorbancia del disolvente del espectro de la solución de muestra, obteniendo el espectro del soluto solo.

Elección de disolventes y materiales celulares

La selección del disolvente es un compromiso. El disolvente ideal sería completamente transparente en el infrarrojo medio, pero no existe.

• Tetracloruro de carbono (CCl₄): Un disolvente excelente que es transparente en grandes regiones, pero tiene fuertes absorciones en torno a 800 cm-¹. También es muy tóxico y su uso está restringido en muchas regiones.
• Cloroformo (CHCl₃) y diclorometano (CH₂Cl₂): Buenos disolventes de uso general, pero presentan bandas de absorción significativas en las regiones de flexión C-H y estiramiento C-Cl.
• Disulfuro de carbono (CS₂): Un buen complemento del CCl₄, ya que es transparente en las regiones donde el CCl₄ absorbe. Sin embargo, es muy inflamable, volátil y tóxico.

El material de la ventana de la cubeta debe ser inerte al disolvente utilizado. Aunque el NaCl y el KBr son baratos, son solubles en agua y alcoholes. Para trabajar con soluciones acuosas o alcohólicas, deben utilizarse materiales de ventana insolubles como el fluoruro de calcio (CaF₂) o el seleniuro de zinc (ZnSe). La longitud del trayecto de la célula se elige en función de la concentración prevista: las soluciones más diluidas requieren una longitud de trayecto mayor para producir una señal adecuada.

Método 6: Captar la libertad de las moléculas en fase gaseosa

La espectroscopia IR en fase gaseosa ofrece una ventana única a la estructura y dinámica molecular. Dado que las moléculas en fase gaseosa están muy separadas entre sí y pueden rotar libremente, sus espectros IR son distintos de los de sus homólogas en fase condensada (líquida o sólida). En lugar de bandas de absorción anchas, los espectros en fase gaseosa muestran líneas nítidas y bien definidas que corresponden a cambios simultáneos en los niveles de energía vibracional y rotacional.

La célula de gas: diseño y función

Dado que los gases tienen densidades muy bajas, se necesita una gran longitud de recorrido para que entren suficientes moléculas en el haz de infrarrojos y se produzca una absorción detectable. Una célula de gas típica es un tubo cilíndrico (a menudo de vidrio o metal) con ventanas transparentes al IR en ambos extremos.

• Pilas de gas simples: Para el análisis rutinario de gases puros o mezclas concentradas, suele ser suficiente una célula con una longitud de trayectoria fija de 5 o 10 cm.
• Células de gas de largo recorrido: Para el análisis de gases traza (por ejemplo, en la vigilancia del medio ambiente), se necesitan trayectorias mucho más largas. Estas células utilizan espejos internos para reflejar el haz IR hacia delante y hacia atrás a través del gas varias veces antes de que salga. Esto permite longitudes de trayectoria efectivas de muchos metros (10, 20 o incluso 100 m) dentro de una célula físicamente compacta.

Las ventanas de la célula suelen ser de KBr o NaCl para trabajos generales. La célula debe ser estanca al vacío y disponer de puertos para evacuar la célula e introducir la muestra de gas.

Preparación de una muestra de gas

El proceso de preparación implica controlar la presión del gas dentro de la célula.

1. Evacuar la celda: La célula de gas se conecta a una línea de vacío y se evacua para eliminar todo el aire y otros gases residuales. A continuación se registra un espectro de fondo de la célula vacía.
2. Presente la muestra: A continuación, la muestra de gas se introduce en la célula desde una bombona de gas o un recipiente colector hasta alcanzar la presión parcial deseada, medida con un manómetro. La presión determina la concentración del gas. Para un gas puro, puede ser adecuada una presión de 10-100 torr. Para un componente menor en una mezcla, puede ser necesaria una presión total más alta.
3. Adquiere el Espectro: La célula se coloca en el espectrómetro y se adquiere el espectro de la muestra.

Características únicas de los espectros de fase gaseosa

La característica más llamativa de un espectro en fase gaseosa es su estructura fina. La amplia banda vibracional que se observa en un líquido se resuelve en una serie de líneas nítidas. En el caso de una molécula diatómica sencilla como el HCl, aparecen dos "ramas" de líneas (la rama P y la rama R) a ambos lados de un hueco central. En el caso de moléculas más complejas, la estructura es más compleja, pero contiene una gran cantidad de información sobre los momentos de inercia de la molécula, la longitud de los enlaces y los ángulos de enlace. Este nivel de detalle tiene un valor incalculable para los estudios fundamentales de fisicoquímica, pero suele ser una complicación innecesaria para la identificación cualitativa rutinaria, razón por la cual la mayoría de los espectros de biblioteca se registran en fase condensada.

Método 7: Técnicas de reflectancia avanzadas y especializadas

Más allá de los métodos comunes, existen varias técnicas especializadas para analizar muestras que son difíciles o imposibles de tratar por transmisión o ATR. Se trata principalmente de métodos de reflectancia, en los que se mide la luz IR que se refleja o dispersa en la muestra, en lugar de la luz que la atraviesa. Estas técnicas requieren accesorios específicos, y su comprensión amplía la utilidad de FTIR en áreas de investigación difíciles. Se puede encontrar una gran variedad de herramientas avanzadas de preparación de muestras para preprocesamiento FTIR para facilitar estos métodos.

Espectroscopia infrarroja de reflectancia difusa por transformada de Fourier (DRIFTS)

DRIFTS es la técnica principal para analizar sólidos en polvo que son difíciles de prensar en gránulos o que se analizan mejor en su forma nativa y pura. También es excelente para muestras con superficies rugosas.

• Principio: El haz IR se enfoca sobre la superficie del polvo. La luz penetra una corta distancia en la muestra, donde las partículas la dispersan en todas direcciones. Esta luz "difusamente dispersa", que transporta la información de absorción de la muestra, es recogida por un conjunto de espejos y dirigida al detector.
• Preparación de la muestra: Normalmente, la muestra se diluye mezclándola con un polvo no absorbente como el KBr (similar al método de la pastilla, pero sin prensar). Esto mejora la reflectancia difusa y minimiza la reflectancia especular (como un espejo), que puede distorsionar el espectro. La mezcla se coloca en un pequeño recipiente para muestras. La única preparación necesaria es la molienda para garantizar un tamaño de partícula fino y uniforme.
• Aplicaciones: El DRIFTS se utiliza ampliamente en la investigación de la catálisis (para estudiar las especies adsorbidas en las superficies de los catalizadores), la geoquímica (para analizar suelos y minerales) y la ciencia forense.

Los datos resultantes se representan a menudo utilizando la función de Kubelka-Munk, F(R), que relaciona la reflectancia de la muestra con su concentración y proporciona un espectro que es más lineal con la concentración que un simple gráfico de reflectancia.

Reflectancia especular

La reflectancia especular mide la reflexión especular de una superficie lisa y plana. El ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

• Principio: El haz IR se refleja directamente en la superficie de la muestra. Esto resulta más eficaz para analizar revestimientos finos sobre sustratos reflectantes, como una fina película de polímero sobre un panel metálico.
• Reflectancia especular del ángulo de pastoreo: Una variante especial utiliza un ángulo de incidencia muy elevado (por ejemplo, 80-85°). Esta técnica, a menudo denominada espectroscopia infrarroja de reflexión-absorción (RAIRS), es extremadamente sensible a películas muy finas (incluso capas moleculares individuales) en superficies metálicas. Se trata de una potente herramienta en la ciencia de superficies.
• Preparación de la muestra: El único requisito es una superficie de muestra lisa y reflectante.

Espectroscopia fotoacústica (PAS)

El PAS es una técnica única y no destructiva que puede analizar muestras de prácticamente cualquier forma, incluidos materiales extremadamente opacos, tejidos biológicos y objetos de forma irregular. "Escucha" el espectro IR en lugar de "mirarlo".

• Principio: La muestra se coloca en una cámara sellada que contiene un gas inerte como el helio. La muestra se ilumina con un haz IR modulado procedente del espectrómetro. Cuando la muestra absorbe la radiación IR a una frecuencia específica, se calienta. Este calor se transfiere al gas circundante, haciendo que se expanda y cree una onda de presión (sonido). Un micrófono sensible situado en la cámara detecta este sonido. La intensidad del sonido es proporcional a la cantidad de luz absorbida. Al recorrer todas las frecuencias IR, se genera un espectro IR fotoacústico.
• Preparación de la muestra: Esencialmente no se requiere ninguna. Basta con introducir la muestra en la célula. Esto la hace ideal para el análisis "tal cual" de materiales que no pueden triturarse, prensarse o disolverse.

Estos métodos avanzados demuestran la notable adaptabilidad de la espectroscopia infrarroja. Eligiendo la combinación adecuada de instrumento, accesorio y técnica de preparación, un químico puede obtener una historia estructural significativa de casi cualquier material.

Elegir el camino correcto: Un marco para la toma de decisiones

Ahora dispone de tres herramientas distintas en su arsenal analítico. La cuestión ya no es sólo "cómo preparar una muestra sólida para el análisis IR", sino "qué método de preparación es el adecuado para esta muestra y esta pregunta". Hacer una elección informada requiere un momento de reflexión, teniendo en cuenta tanto la naturaleza física y química de su sustancia como el objetivo final de su análisis. Es un proceso de adecuación de la herramienta a la tarea.

Considere la naturaleza de su muestra

A menudo será la propia muestra la que le guíe. Sus propiedades pueden hacer que un método sea ideal y otro totalmente inadecuado.

Propiedades físicas

• Dureza: ¿Su muestra es un sólido duro y cristalino, como el cuarzo, o un material blando y ceroso? Para materiales muy duros, el ATR con un cristal de diamante es magnífico, ya que puede soportar la presión necesaria para un buen contacto. Moler un material de este tipo para obtener una pastilla de KBr puede ser extremadamente difícil. Por el contrario, para un sólido muy blando y maleable, una pastilla de KBr puede ser problemática, ya que la muestra puede mancharse en lugar de triturarse; sería mejor un suave arrastre o una simple presión sobre un cristal de ATR.
• Forma: ¿Está trabajando con un polvo fino, un trozo sólido o una película de polímero? Un polvo es versátil y puede utilizarse con cualquier método. Un trozo sólido es perfecto para ATR, pero imposible para un pellet Kbr o un mull sin haber sido previamente desmenuzado y molido. A menudo, una película polimérica fina puede analizarse directamente por transmisión, sin ninguna preparación, siempre que no sea demasiado gruesa.

Propiedades químicas

• Naturaleza higroscópica: ¿Su muestra absorbe fácilmente el agua de la atmósfera? Si es así, el método de la pastilla de KBr está plagado de peligros. El propio KBr es higroscópico, lo que crea un entorno rico en agua que podría alterar la muestra y sin duda introduciría grandes picos de agua en el espectro. Un mull Nujol, en el que la muestra se recubre de aceite protector, es una opción mucho más segura. El ATR también es excelente, ya que el análisis es tan rápido que hay poco tiempo para la absorción de agua.
• Reactividad: ¿Reaccionará su muestra con un haluro alcalino? Algunas sales complejas o compuestos de coordinación pueden sufrir intercambio iónico con KBr. Si sospecha esto, un pellet de KBr no es una opción válida. Se necesitaría el aceite inerte de un mull Nujol o el cristal inerte de un sistema ATR.
• Sensibilidad térmica o a la presión: ¿Tiene su material polimorfos conocidos? Los polimorfos son diferentes formas cristalinas de la misma sustancia, y pueden tener espectros IR distintos. La alta presión de la prensa KBr puede inducir un cambio de un polimorfo a otro (Girón, 2002). Si necesita analizar el estado nativo de un material sensible a la presión, la técnica de mull suave o ATR a presión cero es el único camino a seguir.

Piense en su objetivo analítico

¿Qué pregunta intenta responder? La finalidad del análisis es tan importante como las propiedades de la muestra.

Análisis cualitativo frente a análisis cuantitativo

• Cualitativa (identificación): ¿Intenta simplemente identificar un material o confirmar su identidad? Para ello, la rapidez y la facilidad suelen ser primordiales. En este caso, el ATR es el campeón indiscutible. Un espectro rápido puede compararse con una biblioteca en cuestión de segundos. Un mull Nujol también sirve para una comprobación cualitativa rápida.
• Cuantitativo (¿Cuánto?): Are you trying to determine the concentration of a component in a mixture? This requires much more rigor. Beer's Law states that absorbance is proportional to concentration and path length. For quantitative work, the path length must be constant and known. This is notoriously difficult to achieve with mulls and ATR. The KBr pellet method, if performed with exacting consistency (same sample weight, same pellet thickness), can yield good quantitative results. Specialized transmission cells for films or liquids are generally preferred for the most accurate quantitative work.

Análisis volumétrico frente a análisis superficial

Esta es quizá la línea divisoria más clara.

• Análisis a granel: Si necesita conocer la composición global de un material, necesita una técnica que tome muestras de la masa. El método de la pastilla KBr es el método de referencia, ya que se muele y homogeneiza una muestra representativa del material. Un mull Nujol también proporciona información a granel.
• Análisis de superficies: Si está interesado en un revestimiento, un tratamiento superficial, una capa de oxidación o un contaminante en la superficie, el ATR es la herramienta perfecta. Su escasa profundidad de penetración garantiza que sólo se vean las micras superiores del material, ignorando la mayor parte que hay debajo. Utilizar una pastilla de KBr en este caso sería un error, ya que eliminaría la capa superficial y la diluiría con el material a granel, perdiendo la información que buscaba.

El papel de las herramientas avanzadas de preparación de muestras para el preprocesamiento FTIR

La calidad de la preparación, especialmente en el caso de los métodos de transmisión clásicos, mejora enormemente si se utiliza el equipo adecuado. Aunque un simple mortero de ágata y una maja son intemporales, el laboratorio moderno se beneficia de herramientas diseñadas para la consistencia y la eficacia. Las prensas hidráulicas de alta calidad con manómetros permiten una granulación reproducible. Las trituradoras motorizadas o los agitadores tipo wig-l-bug pueden automatizar el proceso de trituración, garantizando un tamaño de partícula consistentemente fino y una excelente homogeneidad. En el caso del ATR, los accesorios con pinzas de presión calibradas garantizan que el contacto sea suficiente y repetible. Invertir en estos herramientas avanzadas de preparación de muestras para preprocesamiento FTIR eleva la ciencia de un oficio a un procedimiento técnico reproducible, lo que minimiza la variabilidad y permite obtener datos más fiables de distintos usuarios y días.

Comparación de los gránulos de KBr y las pastillas de Nujol

La elección entre estos dos métodos clásicos de transmisión implica un compromiso. La pastilla de KBr ofrece la posibilidad de obtener un espectro más "limpio" en toda la gama, pero a costa de más trabajo y de posibles daños a la muestra. La pastilla Nujol es más rápida y suave, pero introduce su propia firma espectral. Una comparación por pares pone de relieve sus respectivos puntos fuertes y débiles y puede orientar al analista en su decisión. La tabla anterior ofrece una comparación estructurada de estas dos técnicas fundamentales.

Cómo elegir un método de preparación según el estado de la muestra

Para las muestras líquidas, el método de preparación de la muestra puede seleccionarse en función de factores como el punto de ebullición, la viscosidad, la transparencia, la higroscopicidad, la volatilidad y la solubilidad. Por ejemplo, si el punto de ebullición es bajo y la volatilidad es alta, sólo se puede utilizar una célula líquida fija para la preparación de la muestra. Para muestras líquidas con buena transparencia, sin higroscopicidad y viscosidad adecuada, puede elegirse el método de película líquida. Este método es sencillo, fácil de conseguir y es el más utilizado para líquidos en general. Las muestras líquidas que pueden disolverse en disolventes infrarrojos comunes pueden prepararse utilizando células líquidas desmontables. En el caso de líquidos viscosos, pueden calentarse (utilizando un molde de calentamiento por infrarrojos) y prensarse para formar una película entre dos obleas, o disolverse en una solución y aplicarse a la superficie de la oblea. Una vez volatilizados para formar una película, se puede realizar la prueba.

Los métodos de preparación de muestras más utilizados para las muestras sólidas son el método de prensado y el método de pasta. Cualquier muestra que pueda molerse finamente y tenga un color claro puede prepararse con estos dos métodos. Si se dispone de un disolvente adecuado, también se puede seleccionar el método de preparación de la solución, pero no se suele utilizar porque los espectros resultantes tienen interferencias de la absorción del disolvente, y la preparación de la muestra es más problemática. Las muestras sólidas de bajo punto de fusión pueden prepararse calentándolas para formar una película entre dos obleas. Las muestras de gas suelen prepararse utilizando el método convencional de preparación de muestras de gas. Las células de absorción de gas de largo recorrido son adecuadas para situaciones en las que la concentración es baja pero hay suficiente muestra de gas. A continuación se muestra una célula de gas de 100 mm de recorrido:

Cómo ajustar el método a su objetivo experimental

Por ejemplo, en un experimento de espectroscopia infrarroja, cuando se desea obtener información sobre el carbono-hidrógeno, nunca debe utilizarse el método de pasta de aceite de parafina. Si hay grupos hidroxilos en la muestra (con un pico de agua), no debe emplearse el método de prensado. Si se requiere la observación de fenómenos interconformacionales, o el estudio del grado de enlace de los enlaces de hidrógeno inter e intramoleculares, por lo general, debe adoptarse el método de preparación de muestras en solución. Algunas muestras sólidas que son propensas a la absorción de humedad pueden utilizar el método en pasta, y la muestra debe prepararse en condiciones secas. El propósito es envolver las partículas de la muestra con aceite de parafina para aislar la humedad de la atmósfera, logrando el objetivo de evitar la absorción de humedad. Para evitar que la preparación de las muestras y los instrumentos y sus accesorios se humedezcan, nuestra empresa ha desarrollado especialmente un caja a prueba de humedad (serie MRD) compatible con los espectrómetros de infrarrojos globales.

• Método de prensado de comprimidos de bromuro potásico

Es el método más utilizado. Dado que el bromuro de potasio es transparente y no presenta absorción en la región del infrarrojo medio, es el mejor portador. Sin embargo, en realidad, algunos lotes de bromuro de potasio de calidad analítica presentan absorción de impurezas en la región del infrarrojo medio. Para evitar que las impurezas interfieran, cuando no se disponga de bromuro de potasio cromatográficamente puro, se pueden comprar algunos cristales de bromuro de potasio triturados o bromuro de potasio de grado analítico, realizar una recristalización y comprobar su absorción en la región del infrarrojo medio antes de utilizarlo.

El método de tableteado con bromuro de potasio es sencillo de manejar y resulta adecuado para muestras de polvo sólido. Sin necesidad de herramientas comunes, también debe prepararse un juego de limas pequeñas. El polvo sólido puede mezclarse directamente con el polvo de bromuro de potasio para molerlo. En el caso de materiales poliméricos ya formados, se pueden utilizar pequeñas limas para rasparlos y convertirlos en polvo fino y después molerlos. Por lo general, se añaden 1-2 mg de la muestra a 100-200 mg de bromuro de potasio, y se muele en un mortero de ágata hasta formar un polvo fino de 1-2 g. Durante la molienda, se utiliza una pequeña espátula de acero inoxidable para raspar la muestra hasta el centro del mortero, a fin de garantizar una molienda más fina y evitar que las partículas desiguales causen dispersión, lo que daría como resultado una línea de base desigual.

Por lo general, las muestras sólidas pueden prensarse para obtener comprimidos en 5-15 minutos. La presión de la prensa de aceite suele ser de 6-12 toneladas, y el tiempo de prensado debe mantenerse durante al menos 1 minuto para obtener comprimidos transparentes. Dado que el bromuro potásico es muy propenso a absorber humedad, debe secarse completamente bajo una lámpara de infrarrojos antes de comprimirlo. De lo contrario, aparecerán picos de absorción de agua en 3300 cm-1 y 1640 cm-1. Algunas tableteadoras tienen una función de vacío, pero la operación es más compleja. Si el material de alto peso molecular no es polvo y no se puede comprimir directamente, se puede extraer el plastificante para que pierda elasticidad y se vuelva más duro, o se puede utilizar la molienda a baja temperatura para preparar la muestra de polvo con antelación. Por ejemplo, el caucho no se puede prensar en caliente, por lo que se suele adoptar este método.

Cuando se identifican muestras traza, como ciertas pequeñas cantidades de muestras de colorante, el tableteado es imposible. En ese momento, se puede cortar una hoja de papel duro del tamaño del anillo de la muestra, con un pequeño agujero en el centro, y el polvo de bromuro de potasio molido mezclado con la muestra se coloca en el pequeño agujero para el tableteado. Este método tiene dos ventajas. Una es que ahorra muestras, especialmente para la identificación de muestras de trazas separadas y purificadas; la otra es que la hoja de papel entra en contacto directo con el molde de acero inoxidable, y las fibras de la hoja de papel son relativamente gruesas, por lo que es menos probable que se caiga durante el tableteado.

Algunas muestras son pegajosas, y las pastillas de bromuro potásico se adhieren al molde de acero inoxidable durante el tableteado, lo que dificulta su extracción. Sin la posibilidad de realizar un barrido espectral, sólo se vuelve a colocar una pequeña cantidad de bromuro potásico molido en el molde para el tableteado. Las pastillas resultantes son ligeramente más gruesas, lo que provoca una línea de base irregular o una mayor absorción de fondo en el gráfico espectral obtenido, pero sólo se requiere un procesamiento técnico para obtener un gráfico espectral mejor. Por ejemplo, para determinadas muestras de colorantes, puede adoptarse este método de preparación de muestras. Algunas muestras de emulsión pueden untarse en un portaobjetos de vidrio después de la desemulsificación, secarse y, a continuación, triturarse con un raspador.

• Método de películas para ventanas

Se aplica una fina película de líquido sobre una placa de cristal de haluro, y la muestra puede analizarse directamente en un espectrómetro de infrarrojos. Si la viscosidad de la muestra líquida es muy baja o la volatilidad del disolvente no es significativa, puede medirse entre dos placas de cristal de haluro. Los líquidos volátiles pueden medirse utilizando una célula de líquido fija. La placa de cristal de haluro más utilizada es la de cloruro sódico. Los accesorios son placas de ventana de célula líquida y accesorios de ventana de célula. El rango de aplicación es de 700 - 5000 cm-1. Para muestras que requieren la observación de picos de absorción a 350 - 700 cm-1, puede utilizarse el método de la placa de cristal de bromuro de potasio. El espesor de la película no debe ser demasiado grueso, ya que de lo contrario se produciría un pico frontal. Este método es adecuado para resinas viscosas no consolidadas, tintas, plásticos o cauchos, o el extracto de plastificantes y el líquido de pirólisis de resinas termoestables. Las placas de la ventana de la célula líquida pueden ser de KRS-5 o CaF2. El KRS-5 puede utilizarse desde 250 cm-1 hasta 5000 cm-1, pero el KRS-5 es tóxico y no debe tocarse con las manos. El CaF2 es más barato, pero su límite de transmitancia es de 1200 cm-1, y no se puede utilizar el rango por debajo de 1200 cm-1.

La mayoría de los cristales son propensos a la delicuescencia. Deben guardarse en un desecador cuando no se utilicen. Al utilizarlos, los tornillos de fijación deben apretarse en diagonal para evitar tensiones desiguales y daños en el cristal. Tras su uso, el cristal debe limpiarse con un disolvente de bajo punto de ebullición y guardarse en un desecador. El método de la película de ventana se utiliza raramente para muestras de polímeros porque la mayoría de los disolventes orgánicos tienen una fuerte absorción. Sólo unos pocos disolventes tienen menor absorción, como el tetracloruro de carbono, adecuado para 1350 - 4000 cm-1, y el disulfuro de carbono, adecuado para 200 - 1350 cm-1. Sin embargo, sólo unos pocos polímeros no polares pueden disolverse en estos dos disolventes. Para eliminar las bandas de absorción del disolvente en la solución de muestra, se puede utilizar la tecnología de compensación. Debe colocarse un disolvente puro en la celda de referencia, y la cantidad de disolvente en la celda de referencia debe ser la misma que en la celda de muestra, pero la operación es más difícil. En los espectrómetros de infrarrojos de Fourier, se puede utilizar la técnica del espectro diferencial para resolver el problema de las bandas de absorción del disolvente.

• Método de reflexión 

Algunos de los revestimientos de las muestras son muy finos y, por tanto, no son adecuados para el método mencionado. En tales casos, lo mejor es utilizar el método de reflexión total atenuada (ATR). Este método se utiliza ampliamente y no requiere una separación compleja durante la aplicación. No daña la muestra y permite el análisis directo por espectroscopia infrarroja. Hemos utilizado este método en múltiples ocasiones para analizar la superficie y las capas posteriores de materiales impresos por inyección de tinta, y los resultados fueron bastante satisfactorios. Por ejemplo, las cintas, ciertos tejidos de textura lisa, la pintura sobre metales y el caucho en forma de lámina pueden analizarse con el método ATR. Los principales cristales utilizados son el KRS-5 y el ZnSe. El KRS-5 es un compuesto de talio. Deben tomarse precauciones de seguridad al utilizarlo. Las muestras de polvo pueden pegarse a la superficie del cristal con cinta adhesiva para realizar las pruebas. Además, las muestras de polvo también se pueden moler después de añadirlas con parafina líquida.

• Método de prensado en caliente

Cuando se estudian los cambios en la cristalinidad de determinados polímeros mediante espectroscopia infrarroja, se suele emplear el método de formación de película por prensado en caliente. Durante el proceso de formación de la película por prensado en caliente, se utilizan dos moldes de acero inoxidable con superficies lisas. Se utilizan láminas de mica o de papel de aluminio como materiales de soporte para controlar el grosor de la película. Durante la operación, primero se colocan las láminas de mica o de papel de aluminio con el grosor requerido alrededor de la superficie de prensado del molde, con la muestra colocada en el centro, y luego se colocan todas en un horno eléctrico para calentarlas hasta que se ablanden o fundan. A continuación, se presiona la otra mitad del molde sobre la muestra, y el molde se sujeta con cuidado a la máquina de prensado de aceite utilizando pinzas para aplicar presión. Una vez enfriada, la lámina puede retirarse directamente para realizar las pruebas.

La elección de los accesorios experimentales adecuados repercute directamente en el éxito y la precisión del experimento. Al hacer la selección, es necesario un examen exhaustivo para garantizar que los materiales elegidos puedan cumplir los requisitos reales. Si tiene alguna pregunta técnica, Contacto para consultas profesionales.

Preguntas más frecuentes (FAQ)

1. ¿Por qué mi pastilla de KBr está turbia y mi espectro es malo? Un gránulo turbio suele deberse a la contaminación por agua o a una molienda insuficiente. El KBr es muy higroscópico, por lo que debe mantenerse escrupulosamente seco. Si las partículas de la muestra son demasiado grandes, dispersarán la luz IR, lo que provocará una línea de base inclinada y una mala definición de los picos. Intente moler la mezcla de muestra/KBr más enérgicamente y durante más tiempo. 2. ¿Qué significa el pico grande y ancho alrededor de 3400 cm-¹ en mi espectro? Una banda de absorción fuerte y ancha en la región de 3200-3600 cm-¹ es la firma clásica de las vibraciones de estiramiento O-H procedentes de la contaminación por agua. También puede aparecer un pico más pequeño y nítido alrededor de 1640 cm-¹ debido al modo de flexión H-O-H. Esto indica que su muestra, su KBr o sus placas de sal no estaban suficientemente secas. 3. ¿Puedo utilizar agua como disolvente para la espectroscopia IR? En general, no. El agua es un absorbente IR muy fuerte y sus amplios picos oscurecerán grandes porciones del espectro IR medio. Además, muchos materiales de ventana IR comunes, como NaCl y KBr, son solubles en agua y se destruirán. Para soluciones acuosas, debe utilizar la técnica ATR con un cristal insoluble en agua (como diamante o ZnSe) o utilizar células de transmisión especiales con ventanas insolubles en agua como CaF₂. 4. ¿Cuál es la principal diferencia entre un espectro ATR y un espectro de transmisión (pastilla KBr)? Las intensidades relativas de los picos son diferentes. En un espectro ATR, los picos en números de onda más bajos (longitudes de onda más largas) aparecen relativamente más intensos en comparación con los picos en números de onda más altos. Se trata de un artefacto físico relacionado con la profundidad de penetración de la onda evanescente. La mayoría de los programas informáticos modernos disponen de una función de "corrección ATR" para que el espectro se parezca más a un espectro de transmisión tradicional para la búsqueda en bibliotecas. 5. ¿Cómo limpio mis placas de sal NaCl o KBr? No utilice nunca agua. Para limpiar las placas de sal, límpielas suavemente con un pañuelo suave y sin pelusa o con un paño humedecido con un disolvente seco y volátil, como acetona seca o diclorometano, en una campana de humos. Púlalos con un movimiento circular o en forma de ocho hasta que queden limpios. Manipúlalas siempre por los bordes para evitar que queden huellas dactilares en las caras y guárdalas en un desecador para mantenerlas secas. 6. ¿Cuánta muestra necesito realmente para un espectro IR? Depende mucho de la técnica. Para una pastilla de KBr, sólo se necesitan 1-2 miligramos. Para un mull, quizás de 2 a 5 miligramos. Para ATR, a menudo se necesita menos de un miligramo, lo suficiente para cubrir la superficie del cristal. La capacidad de FTIR para proporcionar información estructural detallada a partir de cantidades tan pequeñas de material es uno de sus mayores puntos fuertes.

Reflexión final sobre la práctica y la precisión

The journey through the various methods of sample preparation for IR spectroscopy reveals a central truth: the instrument is a passive observer, and the spectrum it records is a direct consequence of our actions. The process is not a mere chore to be rushed through, but an integral part of the scientific inquiry. Each choice—pellet or mull, ATR or transmission, solvent A or solvent B—shapes the story the molecules will tell. A thoughtful, well-practiced approach transforms sample preparation from a source of frustration into a powerful tool for discovery. The clarity of the final spectrum, with its sharp peaks and flat baseline, is a testament not only to the power of the spectrometer but to the care, skill, and understanding of the analyst who stood before it. The pursuit of a perfect spectrum is, in essence, the pursuit of an unadulterated chemical truth. Explore máquina de prensa hidráulica calentada de Hench.

Referencias

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