marzo 3, 2020

Esta publicación de blog es parte de la serie «Espectroscopía NIR: lo ayuda a ahorrar tiempo y dinero».

Espectroscopía infrarroja y espectroscopía infrarroja cercana: ¿hay alguna diferencia?

Esta es la segunda entrada de la serie sobre espectroscopía NIR poducida por Metrohm. En esta publicación, aprenderá los antecedentes de la espectroscopía NIR en un nivel superior y determinará por qué esta técnica podría ser más adecuada que la espectroscopía infrarroja para sus desafíos analíticos en el laboratorio y en el proceso.

Espectroscopía … ¿qué es eso?

Una definición breve pero precisa de espectroscopia es «la interacción de la luz con la materia». Todos sabemos que la luz ciertamente influye en la materia, especialmente después de pasar un largo día al aire libre, sin protección. Como resultado, experimentamos una quemadura solar si estamos expuestos al sol durante demasiado tiempo.

Una característica de la luz es su longitud de onda, que está inversamente correlacionada con su energía. Por lo tanto, cuanto más pequeña es la longitud de onda, más energía hay. El espectro electromagnético se muestra en la Figura 1. Aquí puede ver que la región NIR está enclavada entre la región visible (a mayor energía) y la región infrarroja (a menor energía).

Figura 1. El espectro electromagnético.

 

La luz de la región infrarroja (IR) y del infrarrojo cercano (NIR) (800–2500 nm) del espectro electromagnético induce vibraciones en ciertas partes de las moléculas (conocidas como grupos funcionales). Por lo tanto, IR y NIR pertenecen al grupo de espectroscopias vibracionales. En la Figura 2, se muestran varios grupos funcionales y moléculas que están activas en la región NIR.

Figura 2. Bandas analíticas principales y posiciones máximas relativas para absorciones prominentes del infrarrojo cercano. La mayoría de los productos químicos y biológicos exhiben absorciones únicas que pueden usarse para análisis cualitativos y cuantitativos.

 

La diferencia en las vibraciones inducidas por la espectroscopía IR o NIR se debe a la mayor energía de las longitudes de onda NIR en comparación con las de la región IR.

Las vibraciones en la región infrarroja se clasifican como fundamentales, lo que significa una transición del estado fundamental al primer estado excitado. Por otro lado, las vibraciones en la región del infrarrojo cercano son bandas combinadas (excitación de dos vibraciones combinadas) o armónicos. Los sobretonos se consideran vibraciones desde el estado fundamental hasta un nivel de excitación por encima del primer estado (ver Figura 3). Estas bandas combinadas y armónicos tienen una probabilidad menor de ocurrir que las vibraciones fundamentales, y en consecuencia la intensidad de los picos en el rango NIR es menor que los picos en la región IR.

Figura 3. Representación esquemática de los procesos que ocurren con vibraciones fundamentales y con sobretonos.

 

Esto se puede entender mejor con una analogía sobre subir escaleras. La mayoría de las personas sube un paso a la vez, pero a veces se ve gente apurada que sube dos o tres escaleras a la vez. Esto es similar a IR y NIR: un paso (IR – vibraciones fundamentales) es mucho más común en comparación con el acto de subir dos o más escaleras a la vez (NIR – armónicos). Las vibraciones en la región NIR tienen una probabilidad menor que las vibraciones IR y, por lo tanto, tienen una intensidad menor.

La teoría está bien, pero ¿qué significa esto en la práctica?

Las ventajas de NIR sobre IR derivadas del esquema teórico anterior son:

1. Intensidad más baja de las bandas con NIR, por lo tanto, menos saturación del detector.

Para sólidos, las muestras puras se pueden usar tal cual en un vial adecuado para análisis NIR. Con el análisis IR, debe crear una pastilla de KBr o administrar cuidadosamente la muestra sólida en la ventana de Reflectancia Total Atenuada (ATR), sin mencionar que debe limpiar todo a fondo después.

Para líquidos, los espectros NIR deben medirse en viales desechables de 4 mm (u 8 mm) de diámetro, que son fáciles de llenar, incluso en el caso de sustancias viscosas. El análisis IR requiere la utilización de longitudes de camino muy cortas (<0.5 mm) que requieren cubetas de cuarzo costosas o celdas de flujo, ninguna de las cuales es fácil de llenar.

2. Luz de mayor energía con NIR, por lo tanto, penetración de muestra más profunda.

Esto significa que NIR proporciona información sobre la muestra a granel y no solo sobre las características de la superficie, como ocurre con la espectroscopía infrarroja.

Sin embargo, estas no son las únicas ventajas de NIR sobre IR. Hay incluso más beneficios relacionados con la aplicación:

3. NIR puede usarse para cuantificación e identificación.

La espectroscopía infrarroja se usa a menudo para detectar la presencia de ciertos grupos funcionales en una molécula (solo identificación). De hecho, la cuantificación es uno de los puntos fuertes de la utilización de la espectroscopía NIR (ver más abajo).

4. NIR es versátil.

La espectroscopía NIR se puede utilizar para la cuantificación de sustancias químicas (por ejemplo, humedad, contenido API), determinación de parámetros químicos (por ejemplo, valor de hidroxilo, índice de acidez total) o parámetros físicos (por ejemplo, densidad, viscosidad, viscosidad relativa y viscosidad intrínseca). Puede hacer clic en estos enlaces para descargar notas de aplicación gratuitas para cada ejemplo.

5. NIR también funciona con fibra óptica.

Esto significa que puede transferir fácilmente un método desde el laboratorio directamente a un entorno de proceso utilizando un analizador con un cable de fibra óptica largo y de baja dispersión y una sonda resistente. Los cables de fibra óptica no se pueden usar con IR debido a limitaciones físicas.

NIR ≠ IR

En resumen, NIR es una técnica diferente que IR, aunque ambos son tipos de espectroscopía vibracional. El NIR tiene muchas ventajas sobre el IR con respecto a la velocidad (manejo más fácil, no se necesita preparación de la muestra), proporcionando información sobre el material a granel y su versatilidad. NIR permite la cuantificación de diferentes tipos de parámetros químicos y físicos y también se puede implementar en un entorno de proceso.

En la próxima entrega de esta serie, nos centraremos en el proceso de implementación de un espectrómetro NIR en el flujo de trabajo de su laboratorio, utilizando un ejemplo específico.

 

Post written by Dr. Dave van Staveren, Head of Competence Center Spectroscopy at Metrohm International Headquarters, Herisau, Switzerland.

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