Fundamentos de Técnicas espectroscópicas: UV, FTIR y Raman

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Fundamentos de Técnicas espectroscópicas:

UV, FTIR y Raman

Héctor Torres Q.F. U.N.

Director Científico

Purificación y Análisis de Fluidos Ltda.

Contenido

• Conceptos de radiación y Espectroscopia

• Componentes de un espectrometro Raman

• Información que genera RAMAN

• Fortalezas y Debilidades de la Espectroscopia RAMAN

• Aplicaciones de la Espectroscopia RAMAN

• Comparación de la Espectroscopia RAMAN con otras

técnicas

• Instrumentos Disponibles

• Software Cuanlitativo

• Software Cuantitativo

Conceptos de radiación

Radiación electromagnética

• Combinación de campo eléctrico y campo magnético

• Dualidad onda partícula

• Se manifiesta como:

• Calor radiado

• Luz Visible

• Rayos X

• Rayos Gama

• Ondas de Radio o televisión

Teoria del color

• Roger Bacon 1250

• Isaac Newton 1671

• Joseph Fraunhofer

Teoria del color

• Roger Bacon 1250

• Isaac Newton 1671

• Joseph Fraunhofer

Espectros• Robert Wilhem Bunsen

y Gustav Robert Kirchhoff

Espectros• Robert Wilhem Bunsen

y Gustav Robert Kirchhoff

Espectroscopia

• Niels Bohr 1913

Espectroscopia

• Niels Bohr 1913

Rayleigh

• Oscilación de la nube de electrones de una molécula – Polarizada o deformada-Oscilará con la frecuencia de la luz incidente. Re emisión o dipolo oscilante que radia.

Efecto Raman

• ChandrasekharaVenkata Raman 1928 nobel 1930

Dispersión Raman

Desplazamiento Raman

• La magnitud del desplazamiento Raman es independiente de la longitud de onda de excitación

Fluorescencia Vs Raman

• Fotón se absorbe = Fluorescencia

• Foton perturba = Raman

Que es la Espectroscopia Raman?

• Es una forma de espectroscopia molecular, referente a la dispersión de la radiación electromagnética a través de los átomos o moléculas. La señal Raman es una invaluable herramienta para hacer identificación de “huella digital” molecular.

• Ventajas

• Poca o casi ninguna preparación de muestra

• Desarrollo de análisis directos a través de contenedores transparentes (bolsas plásticas o vidrio)

• Disponible para análisis Cualitativo y Cuantitativo

• Altamente selectiva

• Insensible a la absorción de bandas acuosas

Principios

• Provee información vibracional, complementaria al IR pero con diferentes reglas de selección:

• Fuertes en Raman: Modos simétricos: ciclo hexano, cloruro de carbono, iso propanol, benceno y sus derivados, polímeros con enlaces (C-O)

• Fuertes en IR: Modos asimétricos: agua, dióxido de carbono, alcoholes, acetonas, polímeros con grupos funcionales (C=O)

• Raman es menos sensible al agua que el IR

• Proceso de dispersión, no de absorción

• La ley de Beer no aplica, la longitud de paso no es relevante, se requiere estándares internos para el trabajo cuantitativo

• Aplica para muestras solidas, liquidas, gaseosas, viscosas, etc.

Principios

• Efecto débil (≈1 en 10⁸ fotones desviado)

• La filtración de la luz del laser (Rayleigh) es critica

• La fluorescencia a menudo interfiere, sobre todo con muestras oscuras

• Compensación entre la señal (Max con el laser mas azul) y fluorescencia (Min con el laser mas rojo)

• Usa la luz en la región visible o en NIR

• Se pueden usar celdas de vidrio y ópticas

• Se puede usar fibra óptica (muestreo remoto, multiplexacion)

• Excitación del laser

• Permite el muestreo sin contacto (muestras estériles o peligrosas)

• Flexible al tamaño de la muestra (Micras a pulgadas), depende de la óptica

• Detección por CCD

• Permite simultáneamente la multiplexación

Componentes del espectrómetro Raman

• Fuente: Laser

• Energía altamente concentrada

• Diferentes longitudes de onda: Ar (488, 514,5nm), Kr (530,9 647,1nm), He-Ne

(632,8nm) de Diodo (785, 830 nm) y Nd:YAG (Nodidium-doped Yttrium

aluminium garnet: 1064 nm)

• Filtro Notch elimina Luz Rayleigh y deja pasar Stokes y anti Stokes

Selección de la Longitud de onda de excitación

• 532nm. Señal Raman mas fuerte, pero

mas problemas de fluorescencia.

• 785nm. Buen balance entre desempeño del

detector e intensidad de señal Raman.

• 1064nm. Baja Fluorescencia pero el desempeño del

detector es bajo comparado con CCD y la intensidad de la

señal RAMAN es baja.

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Relative Intensity

Temperature

Estabilidad de la línea base vs. temperatura

No-Enfriado Enfriado y regulado

TE Sensor con Enfriamiento

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Pixel

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(co

un

t)Señal oscura con tiempo de integración 60 Seg.

A temperature ambiente 25℃ Enfriado a 10℃

TE Sensor con Enfriamiento-Reducción de señal oscura

� Contacto directo con la muestra o estacionaria.

� La luz de la fibra de excitación es filtrada para prevenir interferencia de la

señal Raman de la Sílica.

�La luz colectada por la segunda fibra es filtrada para remover longitudes de

onda del laser de excitación.

�Las fibras disminuyen el desempeño del sistema

Sonda de Fibra Óptica

• NOTCH

• EDGE

• NExT

Como seleccionar la herramienta adecuada para leer

la muestra

• Microscopio

• Acesorios, e.j. soporte para vial

• Sonda grado laboratorioRaman

• Sonda grado Industrial Raman

• Celda de Flujo.

Información del Espectro Raman

El cambio o “Raman Shift”

� Independiente de la salida del laser

� La Longitud de onda de excitación es determinada por las necesidades analíticas y de la muestra (evitando la interferencia por fluorescencia con mayores longitudes de onda)

Intensidad Raman

� Depende de la longitud de onda del laser

� A mayores longitudes de onda de excitación, menores conteos de picos Raman (a la misma potencia de salida)

El espectro RamanUn espectro Raman es un grafico de la intensidad de la radiación

dispersada Raman como una función de la diferencia de frecuencia entre dicha radiación con la radiación incidente (por lo general en unidades de Onda, cm-1). Esta diferencia se llama el cambio o “Raman shift”

Datos de Microscopio

Información que Ofrece Raman

Frecuencias características

de Raman

Cambios e la frecuencia de

un pico Raman

Polarización de un Pico

Raman

Ancho de Pico Raman

Composición del

Material

Estado de estrés o

tensión

Orientación y simetría

de un cristal

Calidad de un cristal

Fortalezas de la Tecnología Raman

• Muestreo flexible: compatible con fibra óptica, celdas de vidrio, empaques transparentes.

• Contiene alta información, incluso información no composicional como polimorfismos, cristalinidad, orientación, tamaño de partícula.

• Puedes ser usado para analizar soluciones acuosas sin interferencia con el agua (como ocurre en el FTIR o NIR)

• Generalmente robusto a la temperatura

• No necesariamente requiere Quimiometría, por lo tanto, valiosa en el trabajo de investigación y desarrollo

• Muy poco o ninguna preparación de muestras

• Aplicable a muestras de varias estados (solido, liquido, gas), muestras muy pequeñas o ubicaciones especificas en una muestras (Trabajo- Micro)

Debilidades de la Tecnología Raman

• Señal débil (Eficiencia ~10-⁸): Típico NDD ~0,1%

• Interferencia de fluorescencia

• El calentamiento de la muestra o foto-blanqueo puede interferir; No permite examinar materiales negros o altamente coloreados

• Alto contenido de información (Interferencias)

• La fuente de laser puede tener fluctuaciones

• Necesita de un estándar interno o de estandarización para trabajo cuantitativo

Aplicabilidad de la Espectroscopia Raman

Aplicaciones

• Biomédica• Estudios in vivo e in vitro

de la piel

• Estudios de transferencia trans dérmica de fármacos

• Identificación de cáncer

• Estudios de Hueso

• Dientes

• Arteriosclerosis intracoronaria

• Estudios en el ojo

Aplicaciones

• Forenses

• Abuso de drogas

• Explosivos

• Identificación de insumos de drogas

• Cabellos, fibras, virutas de pintura y tintas.

Aplicaciones

• Petróleos• Agrietamiento

• Extracción de solventes

• Materiales de producción BTEX (Benceno, Tolueno, Etileno y Xileno)

• Tratamiento C4

• Procesado de aromáticos

• Mezcla

• Polímeros

Aplicaciones

• Farmacéuticas• Identificación de materia

primas en mulles, dispensario y almacenaje

• Seguimiento en tiempo real de granulación, mezcla, secado y recubrimiento.

• Análisis no destructivo de tabletas, cápsulas de gel y formulación líquida

Aplicaciones

• Polímeros

• Composición

• Control de reacciones de polimerización

• Bloqueo y formación de Co polímero

Aplicaciones

• Nano tecnología

• Propiedades físicas del carbono

• Tamaño, longitud y radio de nanotubos

• Incorporación de Dopantes

Aplicaciones

• Semiconductores• Composición de material,

estructura y fuerzas mecánicas

• Acoplamientos a microscopia, investigación a pequeña escala: Micro electrónica

• Análisis de fallas o defectos

• Procesos de cristalización

• Procesos de lavado

Aplicaciones

• Materiales extraterrestres• Análisis químico de

composición mineral

• Análisis de orgánicos en el suelo

• Identificación de fases minerales de suelos y rocas

• Clasificación de Rocas

• Estado de oxidación

• Agua y Hielo en Marte

• Materiales de meteoritos, material interplanetario y cometas (Sonda Stardust de la NASA)

Otras Aplicaciones

• Arte y Arqueología

• Gemología

• Geología

• Ciencias de la alimentación

• Determinación de componentes del medio ambiente

• Industria del cristal y porcelana