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
• Preguntas más frecuentes (FAQ)
• Reflexión final sobre la práctica y la precisión
• Referencias

Preludio filosófico a la preparación de muestras

Abordar el tema de la preparación de una muestra para la espectroscopia infrarroja es entablar un diálogo entre el mundo material y nuestra comprensión abstracta del mismo. El espectrómetro, una maravilla de la ingeniería óptica y computacional, está preparado para traducir la danza silenciosa de las vibraciones moleculares a un rico lenguaje gráfico. Sin embargo, este sofisticado instrumento está totalmente a merced del espécimen que le presentamos. El espectro que produce no es una revelación sin intermediarios del alma de la sustancia, sino una historia contada a través del filtro de nuestras acciones preparatorias. Una muestra mal preparada se asemeja a un mensaje susurrado y confuso; el significado deseado se pierde en el ruido. Por el contrario, una muestra meticulosamente preparada permite que la molécula hable con claridad, revelando su identidad estructural, sus grupos funcionales, su esencia misma, con una claridad profunda.

Nuestra tarea, por tanto, no es un mero procedimiento mecánico. Es un acto de rigor intelectual y práctico, que exige una comprensión empática de la naturaleza de la muestra. ¿Se trata de un sólido cristalino cuya rígida red podría dispersar la luz si no se domestica? ¿Se trata de un líquido viscoso cuya trayectoria debe controlarse con precisión? ¿O se trata de un polímero amorfo, cuya historia se cuenta mejor cuando se presenta como una película uniforme y transparente? La elección del método es un compromiso filosófico, una decisión sobre la mejor manera de revelar la verdad de la sustancia sin imponerle nuestros propios artefactos. Cada técnica, desde la clásica pastilla KBr hasta el moderno accesorio ATR, conlleva su propio conjunto de suposiciones y potenciales escollos. Aprender a preparar una muestra para la espectroscopia IR es aprender el arte de hacer las preguntas correctas a nuestro material, asegurándonos de que las respuestas que recibimos son auténticas y legibles.

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&#39, 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.

• Pellets turbios u opacos: 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

El principio en el que se basa el ATR es elegante. En lugar de hacer pasar el haz IR a través de la muestra, el haz se dirige a un cristal de alto índice de refracción, como el diamante, el seleniuro de zinc (ZnSe) o el germanio (Ge). Este cristal ATR se diseña de forma que el haz IR sufra una reflexión interna total en la superficie donde se colocará la muestra.

Sin embargo, esta reflexión no es perfecta en un sentido mecánico cuántico. En el punto de reflexión, una onda electromagnética, denominada 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. Caliente 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 realizar primero un espectro de fondo del disolvente puro en la misma cubeta. 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, las longitudes de enlace y los ángulos de enlace de la molécula. Este nivel de detalle es inestimable 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.

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

El recorrido por los distintos métodos de preparación de muestras para espectroscopia IR revela una verdad central: el instrumento es un observador pasivo, y el espectro que registra es consecuencia directa de nuestras acciones. El proceso no es una mera tarea que hay que realizar a toda prisa, sino una parte integral de la investigación científica. Cada elección -pellet o mull, ATR o transmisión, disolvente A o disolvente B- da forma a la historia que contarán las moléculas. Un enfoque meditado y bien practicado transforma la preparación de muestras de una fuente de frustración en una poderosa herramienta para el descubrimiento. La claridad del espectro final, con sus picos nítidos y su línea de base plana, es un testimonio no sólo de la potencia del espectrómetro, sino también del cuidado, la habilidad y la comprensión del analista que lo ha utilizado. La búsqueda de un espectro perfecto es, en esencia, la búsqueda de una verdad química no adulterada.

Referencias

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