Espectroscopia infrarroja
La espectroscopia infrarroja es una potente técnica analítica que proporciona información sobre la interacción de la luz infrarroja (IR) con las moléculas. Se utiliza para identificar sustancias y determinar su estructura mediante el análisis de las frecuencias a las que absorben luz infrarroja. El método consiste en hacer pasar luz infrarroja a través de una muestra y medir las longitudes de onda absorbidas, lo que aporta datos sobre la composición y estructura de dicha muestra. Este tema aborda la espectroscopia infrarroja y explica sus principios, componentes clave, funcionamiento, tipos, clases de vibraciones y aplicaciones, concluyendo con la importancia de esta técnica en el ámbito actual de la investigación y el desarrollo.
Principio de la espectroscopia IR:
La espectroscopia infrarroja se basa en el hecho de que las moléculas vibran a frecuencias específicas cuando se exponen a radiación infrarroja. Cuando una molécula absorbe radiación IR, sus enlaces comienzan a vibrar, ya sea mediante estiramiento o flexión. Estas vibraciones están determinadas por los enlaces químicos y las masas de los átomos involucrados. La absorción de radiación infrarroja excita dichos modos de vibración, generando un patrón de absorción único. El espectro IR se representa gráficamente mostrando la absorbancia frente a los números de onda. Cada grupo funcional presenta una banda de absorción característica, lo que ayuda a determinar la estructura molecular.
Componentes de la espectroscopía IR:
Un espectrómetro de IR consta generalmente de una fuente de radiación, un monocromador, un compartimento para la muestra, un detector y un registrador.
Fuente de radiación:
La fuente emite radiación infrarroja, la cual se genera típicamente calentando un sólido inerte a altas temperaturas (1000-1800 °C). Estas fuentes producen un amplio espectro de radiación infrarroja que puede enfocarse sobre la muestra.
Monocromador:
El monocromador es un dispositivo que separa la radiación infrarroja (IR) en sus distintas longitudes de onda. Utiliza una combinación de prismas, redes de difracción o filtros, así como mecanismos de rendija, para dispersar la luz. Las rendijas estrechas mejoran la resolución al permitir diferenciar frecuencias muy próximas, mientras que las rendijas más anchas aumentan la sensibilidad al permitir que llegue más luz al detector.
Compartimento de la muestra:
La muestra se coloca en el compartimento de la muestra para que interactúe con la radiación infrarroja (IR). Las muestras pueden ser sólidas, líquidas o gaseosas y, por lo general, se alojan en celdas o cubetas especializadas. Para las muestras sólidas, se suele emplear la técnica de pastilla. Para las muestras líquidas se utiliza la técnica de suspensión (o mull), empleando celdas para líquidos; estas celdas están fabricadas con haluros alcalinos. La técnica utilizada para líquidos también se emplea para el análisis de muestras gaseosas.
Detector:
El detector mide la cantidad de radiación infrarroja que atraviesa la muestra. Entre los detectores habituales se incluyen los bolómetros y los detectores piroeléctricos, que convierten la absorción de radiación infrarroja en señales eléctricas.
Registrador:
El registrador muestra el espectro resultante, que refleja la absorción de radiación infrarroja (IR) por parte de la muestra a diferentes longitudes de onda. El espectro proporciona información sobre los grupos funcionales y la estructura de la muestra. La fuente emite radiación infrarroja, la cual atraviesa la muestra. Un monocromador separa la luz en sus longitudes de onda componentes. El detector mide la cantidad de luz transmitida a través de la muestra y el registrador presenta el espectro resultante. Algunos espectrómetros de infrarrojos, como los espectrómetros FTIR (infrarrojo por transformada de Fourier), utilizan un interferómetro en lugar de un monocromador para separar las longitudes de onda, lo que ofrece ventajas como una mayor resolución y sensibilidad.
Tipos de vibraciones y regiones del infrarrojo (IR):
Existen dos tipos de vibraciones: las de estiramiento y las de flexión. La región infrarroja del espectro electromagnético se divide en tres zonas: infrarrojo cercano, medio y lejano. La región del infrarrojo cercano abarca aproximadamente de 14.000 a 4.000 cm⁻¹; la región del infrarrojo medio se sitúa entre 4.000 y 400 cm⁻¹; y la región del infrarrojo lejano se encuentra entre 400 y 10 cm⁻¹. La región del infrarrojo cercano posee una energía elevada, mientras que la del infrarrojo lejano presenta la energía más baja. Por lo general, el espectro se interpreta dividiéndolo en dos zonas: la región de grupos funcionales y la región de huella dactilar.
Factores que afectan a la frecuencia de vibración:
Diversos factores, tales como la simetría, la resonancia de Fermi, los enlaces de hidrógeno, los efectos electrónicos y el ángulo de enlace, influyen en la frecuencia de vibración. Los compuestos simétricos carecen de momento dipolar y, por tanto, las moléculas simétricas son inactivas en el infrarrojo (IR). La resonancia de Fermi provoca un desplazamiento inesperado en la energía y la intensidad de las bandas. Se observa un desplazamiento de la frecuencia hacia valores más bajos debido a los enlaces de hidrógeno. Los efectos electrónicos, como los efectos inductivos y de campo, dan lugar a un desplazamiento de las bandas de absorción. Asimismo, una variación en el ángulo de enlace provoca cambios en las bandas de absorción.
Ventajas y desventajas de la espectroscopia IR:
La espectroscopia IR ofrece numerosas ventajas. Es una técnica no destructiva que permite una velocidad de barrido muy elevada. Escanea todo el rango de frecuencias en cuestión de segundos, lo que facilita el análisis incluso de muestras inestables. Los espectrómetros IR ofrecen una alta resolución y pueden utilizarse para analizar casi todas las moléculas orgánicas y algunas inorgánicas. Los espectros IR aportan información sobre la estructura, el tipo de compuesto, sus grupos funcionales y también la estereoquímica. Permite realizar análisis económicos, ya que es una técnica no destructiva que requiere una cantidad mínima de muestra. Consume muy poca electricidad, ocupa poco espacio y puede utilizarse tanto de día como de noche. No obstante, también presenta limitaciones, ya que la espectroscopia IR no puede proporcionar una información estructural tan completa como otras técnicas, tales como la RMN o… espectrometría de masas. En algunas muestras puede observarse interferencia debida a la fluorescencia. Las aplicaciones de IR podrían no ser adecuadas para todos los casos; asimismo, pueden verse afectadas por factores ambientales como la temperatura y la humedad.
Aplicaciones de la espectroscopia IR:
La espectroscopia infrarroja (IR) es una herramienta analítica potente, sensible y específica utilizada en diversas industrias para múltiples aplicaciones. Se emplea en química, biología y otros sectores industriales tanto para análisis cualitativos como cuantitativos. A continuación, se enumeran algunas aplicaciones importantes: la espectroscopia IR ayuda a determinar la presencia y el tipo de grupos funcionales en una molécula; a partir de la información sobre estos grupos, es posible elucidar la estructura de compuestos desconocidos. También permite determinar la concentración de un compuesto específico dentro de una mezcla y resulta útil para identificar materias primas, productos terminados y excipientes. Asimismo, se utiliza para caracterizar las propiedades de materiales como polímeros y cerámicas. Es una herramienta valiosa en investigaciones forenses para identificar materiales como pinturas, fibras y drogas, aportando pruebas clave en casos penales. Se emplea para detectar contaminantes —como pesticidas— en el análisis de calidad alimentaria y para monitorear reacciones durante el procesamiento de alimentos. Además, permite seguir el progreso de reacciones químicas, lo cual facilita la optimización de procesos y la resolución de problemas. En conclusión, la espectroscopia IR cuenta con una amplia gama de aplicaciones en diversos tipos de industria.
Conclusión:
La espectroscopia infrarroja (IR) es una técnica analítica versátil que proporciona información valiosa sobre la estructura química y la composición de los materiales. Esta técnica analiza cómo las moléculas absorben la luz infrarroja, lo cual corresponde a modos vibracionales específicos, tales como la elongación y la flexión de los enlaces químicos. Es una técnica ampliamente aceptada en diversas industrias gracias a su variedad de aplicaciones, aunque presenta ciertas limitaciones.
Preguntas frecuentes
Un espectrómetro de infrarrojos consta generalmente de una fuente de radiación, un monocromador, un compartimento para la muestra, un detector y un registrador.
Diversos factores, tales como la simetría, la resonancia de Fermi, los enlaces de hidrógeno, el efecto electrónico y el ángulo de enlace, influyen en la frecuencia de vibración.
Existen dos tipos de vibraciones: las de estiramiento y las de flexión. La región infrarroja del espectro electromagnético se divide en tres zonas: infrarrojo cercano, medio y lejano.
Reference:
- https://www.geeksforge.org.
- “Guide to FT-IR Spectroscopy.” Bruker.com, 2025, www.bruker.com/en/products-and-solutions/infrared-and-raman/ft-ir-routine-spectrometer/what-is-ft-ir-spectroscopy.html.
- Ferrer, Núria. “Forensic Science, Applications of IR Spectroscopy*.” Encyclopedia of Spectroscopy and Spectrometry, Elsevier, 2010, pp. 681–92, https://doi.org/10.1016/b978-0-12-374413-5.00151-2.
