Espectroscopía •Espectroscopía ultravioleta ultravioleta--visible: molecular atómica •Espectroscopía infra infra--roja •Espectroscopía de resonancia magnética nuclear •Espectrometría de masas Principios de la Espectroscopía : Radiación Electromagnética Radiación Electromagnética •se propaga a la velocidad de la luz •tiene propiedades de ondaonda- partícula •la energía de un fotón es proporcional a su frecuencia c = λν E = hν λ: cm; ν: ciclos/seg 10 c: velocidad de la luz (3 x 10 cm/seg) 27 h: cte cte. de Planck (6.62 (6 62 x 10 erg/seg) Y λ X A Z El espectro electromagnético C = λν λ: cm; ν: ciclos/seg E = hν c: velocidad de la luz (3 x 1010 cm/seg) E = h C/λ h: cte. de Planck (6.62 x 1027 erg/seg) •Violet: 400 - 420 nm •Indigo: 420 - 440 nm •Blue: 440 - 490 nm •Green: 490 - 570 nm •Yellow: 570 - 585 nm •Orange: 585 - 620 nm •Red: 620 - 780 nm El Espectro Electromagnético Menor Longitud de onda (λ) Mayor Longitud de onda (λ) 400 nm 750 nm Luz Visible Mayor Frecuencia (ν) Mayor Energía (E (E) Menor Frequencia (ν) Menor Energía (E (E) El Espectro Electromagnético Menor Longitud de onda (λ) Ultravioletaa Ultraviolet Mayor Frec Frecuenc uencia ia (ν) Mayorrr Energ Mayor Energía ía (E) Mayor Long Longitud itud de onda (λ) InfraInfra-rojo Menor Frec Frecuenc uencia ia (ν) Menor Energ Energía ía (E) El Espectro Electromagnético Rayos Cósmicos Rayos γ Rayos X Energía Luz Ultravioleta Luz Visible Radiación Infra-roja Microondas Ondas de Radio Radiación electromagnética (R.E.) La radiación electromagnética es un tipo de energía que se transmite por el espacio a enormes velocidades. Muchas de las propiedades de la R.E. se explican convenientemente mediante la teoría ondulatoria clásica con parámetros como velocidad, frecuencia, longitud de onda y amplitud. En contraste con otros fenómenos ondulatorios, como el sonido, la R.E. no requiere un medio de transporte para su transmisión, por lo tanto se transmite fácilmente en el vacío. La teoría ondulatoria para la R.E. no explica completamente los fenómenos asociados con la absorción o la emisión de energia radiante, para estos procesos es necesario considerar la energía radiante como un flujo de partículas discretas de energía llamados fotones o cuantos. Estos dos conceptos se complementan muy bien (dualidad, onda partícula) y se aplican tanto al flujo de electrones como al de otras partículas elementales. En la Figura se ha representado el vector eléctrico en la ordenada, de una onda electromagnética. La frecuencia de una onda luminosa está determinada por la fuente de radiación y permanece constante independientemente del medio que atraviese. atraviese La velocidad velocidad, en cambio, depende de la composición del medio. E2 (Estado de alta energía) ΔE = hν (Energía de un fotón) E1 (Estado de baja energía) ¿Qué clase de estados estados? ? electrónico UV--Vis UV vibracional Infra--rojo Infra rotacional microonda spin nuclear radiofrecuencia Espectroscopía UV- Visible Transiciones entre estados de energ energía ía electró electrónicos ΔE = hν Energíía entre 200 y 800 nm Energ Características de transiciones electrónicas entre orbitales σ, π y η Transición λ (nm) Ejemplo σ → σ* <200 Hidrocarburos saturados π → π* 200–500 Alquenos, alquinos aromáticos η → σ* 160–260 H2O, CH3OH, CH3Cl η → π** 250 600 250–600 Carbonilos, nitro, nitrato, carbonilo. Eteno: Según CLOA los orbitales π ,π∗ resultan de la combinación de 2 orbitales p (uno de c/átomo) y tienen menor y mayor energía respecto de los orbitales atómicos de origen. π∗ eteno 2p π π∗ π∗ hυ π 2p EF π EE formaldehido Niveles de energía y transiciones electrónicas En espectroscopía UV-Vis se irradia con luz de energía suficiente como para provocar transiciones electrónicas, es decir promover un electrón desde un orbital de baja energía a uno vacante de alta energía. Transiciones electrónicas posibles entre orbitales n: orbital que contiene par de electrones no compartidos (ej en O, N, Cl) En UV- Vis la energía solo alcanza para las transiciones n→π* y π→π* σ→ σ * UV lejano λ < 200 nm, compuestos orgánicos simples π→π* UV λ ~ 200-350 nm, compuestos insaturados n→π* UV-visible λ ~ 350-700 nm, insaturados con heteroátomos Transició Transici ón π→π* en cis,trans cis,trans--1,3 1,3--ciclooctadieno LUMO ψ4∗ ψ4∗ ψ3∗ ψ 3∗ ΔE = hν HOMO ψ2 ψ2 ψ1 ψ1 configuración configuració π-electr electró ónica más estable configuración π-electr electró ónica en el estado excitado Las transiciones más favorecidas son entre el orbital ocupado de energía más alta (HOMO) y el orbital desocupado de energía más baja (LUMO) Transició Transici ón π→π* La banda de energí energía HOMO HOMO--LUMO es afectada por los sustituyentes del doble enlace cuando (ΔE) HOMO HOMO--LUMO se hace menor menor,, la λmax se corre a valores alores mayores ma ores La inserción inserción de un grupo alquílico causa un corrimiento a mayores λmax H H C H H CH3 C C H λmax 170 nm H C CH3 λmax 188 nm La extensión extensión de la conjugación tiene un mayor efecto en λmax; el corrimiento es nuevamente a mayores longitudes de onda H H C H C C H H C H H C C H λmax 170 nm H H H λmax 217 nm H C C H H C H H H3C λmax 217 nm di dieno conjugado j d C H C C H λmax 263 nm H trieno conjugado mas dos alquilos H C C H C H C CH3 Licopeno Pigmento naranja en zanahorias Pigmento rojo en tomates La conjugación acerca al HOMO y al LUMO del sistema → disminuye ∆E de la transición → ésta ocurre a λ menor La conjugación acerca el HOMO y el LUMO del sistema, por lo cual disminuye el E de la transición, y ésta ocurre a mayor λ El espectrómetro UV-Vis registra las longitudes de onda donde se produce absorción y cuantifica la absorción S2 S0 S0 S2 S1 E S1 ΔE (S1) = h . C / λ max S0 El espectro se registra como Absorbancia (A) vs. longitud de onda (λ). Las bandas del espectro UV son anchas porque incluyen la estructura fina de transiciones vibracionales y rotacionales de menor energía: Diagrama de Morse E2 (Estado de alta energía) Molecula diatómica: A-B R0: distancia interatómica normal E = hv (Energía de un fotón) E1 (Estado de baja energía) c) Ionization La energía está cuantizada A A* Tipo de excitación: depende de la energía entregada -rotacional -vibracional ΔE = hν = hc/λ -electrónica A medida que aumenta t la l conjugación, el sistema absorbe a λ mayores, o sea que la absorción se corre hacia el visible Otros Cromóforos Grupos carbonilo conjugados Compuestos aromáticos y heteroaromáticos A mayor conjugación de sistemas aromáticos la absorción se desplaza al visible Este compuesto es de color anaranjado • Cromóforos: grupo covalente insaturado que tiene la potencialidad del color • Auxócromos: sustituyente que unido a un cromóforo cambia su λ max y la intensidad de la absorción (ε) Desplazamiento batocrómico: desplazamiento hacia λ mayores debido a una sustitución determinada o a efecto de solvente. Desplazamiento hipsocrómico: desplazamiento hacia λ menores debido a una sustitución determinada o a efecto de solvente. Chromophore Example Excitation λmax, nm ε Solvent C=C Ethene π __> π* 171 15,000 hexane C≡C 1-Hexyne π __> C=O Ethanal n π __> π* 180 10,000 hexane π* __> π* 290 180 15 10,000 hexane hexane N=O Nitromethane n π __> π* π* 275 200 17 5,000 ethanol ethanol CX X C-X X=Br Br X=I Methyll bromide Meth Methyl Iodide n n __> σ* σ* 205 255 200 360 hexane he ane hexane __> __> Efecto del solvente E Corrimiento batocrómico Cy MeOH Transición π, π* Δ λ: 5-10 nm π* π Cy MeOH E π* Corrimiento hipsocrómico Cy MeOH Transición n, π* Δ λ: 2-6 nm n Cy MeOH ΔE = h. c / λ Que le sucede a la molécula en su estado electrónico excitado? Transiciones y multiplicidad π* π Absorción hν Estado fundamental espines opuestos π* π* π π Mantuvo el spin S=1/2-1/2=0 M=2s+1=1 estado singulete Varió el spin S=1/2+1/2=1 M=2s+1=3 estado triplete Diagrama de Jablonski Procesos de relajación: • no radiativos o de no emisión : emite energía térmica • radiativos o de emisión: emite energía radiante o luz Procesos de relajación: no radiativos o de no emisión: ocurre por colisiones de las moléculas excitadas con moléculas en estado fundamental, o de solvente. Pérdida de energía por choque. Se produce el pasaje de un nivel vibracional a otro hasta llegar al nivel vibracional fundamental de ese nivel electrónico. También puede perder energía hasta llegar al nivel fundamental electrónico. radiativos di ti o de d emisión: i ió emite it energía í radiante di t o luz l 9 Fluorescencia: emite desde el estado singulete. Cesa cuando termina la irradiación, duración: 10-6 seg. 9 Fosforescencia: emite desde el estado triplete. Transición prohibida, y por lo tanto de baja probabilidad y es unproceso lento; tiene un rendimiento cuántico bajo (N° de moléculas que sufren el proceso por fotón absorbido); ocurre en sólidos (no en líquidos), dura mas allá de la irradiación 10-10-3 seg. S1 ΔE(0,0) S0 λ0,0 Espectro de absorción y de emisión. λ0,0 = ½ (λabs + λfluo ) Pantallas solares PABA: ácido p-aminobenzoico El espectrómetro UV-Vis registra las longitudes de onda a las que se produce absorción y la cuantifica cubeta muestra (en solución) luz UV DETECTOR El espectro se registra como Absorbancia ((A)) vs. longitud de onda (λ) Las bandas del espectro UV son anchas porque incluyen la estructura fina de transiciones vibracionales y rotacionales de menor energía I/I0 = e-k1.l I/I0 = e-k2.c Combinando las ec: I/I0 = e-k3.l.c Se defina ABSORBANCIA (A) como log (1/T) A = log(1/T) = log (I/I0) = 2,303 . K3 . B . C ε : coeficiente de absorción molar Ley de Lambert-Beer A = ε . b. c Absorción de la luz I0 ⎛I ⎞ A = − log(T ) = − log⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ I0 ⎠ l 1.2 antraceno 1 −A ) A = ε .l.C ε: coeficiente de extinción molar (M-1.cm-1) l: longitud de la celda (cm) C: concentración (M) A=Absorbancia, T= Transmitancia Absoorbancia ( I α a2 1.4 I 0 = I + I abs I abs = I 0 1 − 10 I 0.8 0.6 0.4 0.2 0 200 250 300 350 400 450 Longitud de onda (nm) 500 Ley de Beer: A: Absorbancia A=εcl Permite cuantificar la concentración de una muestra por UV ε: coeficiente de extinción (característico de cada sustancia) l: largo del paso de la cuba (cm) c: concentración (moles/l) La zona de longitudes de onda que se registra en un espectro UV- Vis es entre 200 y 800 nm En esta zona no absorben dobles ni triples enlaces aislados Solo van a absorber enlaces π conjugados y heteroátomos con pares de electrones no compartidos (O, N) Grupos que absorben luz = CROMÓFOROS Utilidad del método: Técnica cuantitativa -sensibilidad -señal observada: proporcional a c (concentración) y a l (paso óptico) A: absorbencia de luz al atravesar la masa en la cubeta I0 es la intensidad de la luz que entra a la cubeta de líquidos I1 es la intensidad de la luz después de atravesar la cubeta de líquidos l es la medida longitudinal que la luz recorre dentro de la cubeta Selección de la longitud de onda λ 395 nm λ 410 nm λ 430 nm Rango dinámico de trabajo: zona lineal. Se verifica ley de Lambert-Beer Saturación: Zona punteada Limitaciones a la aplicabilidad de la Ley de Beer Se observan frecuentemente desviaciones de la proporcionalidad entre A y c (cuando b es constante). Algunas de estas desviaciones son importantes y representan limitaciones reales de la ley. a) Desviaciones reales La Ley de Beer es sólo aplicable a soluciones en las que las interacciones dependientes de la concentración de las moléculas o iones son mínimas. Concentraciones “altas” alteran las absortividades molares y por lo tanto conducen a una relación no lineal entre A y c. b) Desviaciones químicas Cuando C d llas especies i absorbentes b b t experimentan i t asociación, i ió di disociación i ió o reacción ió con ell solvente l t originan i i productos con características absorbentes distintas de las del analito. Un ejemplo típico se observa con soluciones de dicromato potásico no amortiguadas, en las que existen los siguientes equilibrios: Cr2O7+H2O ↔ 2HCrO4 ↔ 2H+ + 2CrO4-2 A casi todas las longitudes de onda los valores de ξ del ion dicromato y las dos especies de cromatos son muy diferentes. c) Desviaciones instrumentales R di ió policromática: Radiación li áti el requisito básico para el cumplimiento de la Ley de Beer es que la radiación incidente sea monocromática. p de las características tecnológicas g del Dependiendo sistema óptico del instrumento será más o menos accesible poder utilizar en forma práctica una radiación limitada a una sola longitud de onda. Radiación dispersa: la radiación dispersa suele diferir considerablemente en longitud de onda con respecto a la radiación principal; además puede alcanzar el detector sin haber pasado a través de la muestra. Instrumentación Los instrumentos que miden la absorción selectiva de la radiación en las soluciones se conocen con los nombres de: colorímetros, fotómetros y espectrofotómetros. Hoy en día es pertinente diferenciar los instrumentos según su sistema de detección: detectores simples (convencional) o detectores multicanal (arreglo de diodo). Algunos de los diseños básicos de los instrumentos usados en la medición de la absorción de Energía Radiante se ilustra en el siguiente esquema: Figura. Diagrama de bloques de diferentes tipos de instrumentos de medición de la absorción molecular (simple haz, doble haz). Chopper (13 ciclos x seg) Fuente de energía radiante Debe producir un haz de radiación cuya potencia sea suficiente para facilitar la detección y medida; debe ser estable. Ej.: •Lámpara de hidrógeno o de deuterio (UV) •Lámpara de mercurio (UV) Producen un espectro continuo entre 160–375 nm y deben emplearse ventanas de cuarzo en los tubos, ya que el vidrio absorbe fuertemente en esta región del espectro electromagnético. . La excitación eléctrica de deuterio o hidrogeno a baja presión produce un espectro UV continuo. El mecanismo para ésta implica la formación de una especie molecular excitada, D2*, que se rompe para dar dos especies atómicas y una fotón ultravioleta. Este puede ser mostrado como; D2 + energía eléctrica → D2* → D' + D'' + hν •Lámpara de filamento de tungsteno (visible) Es la fuente más común para la zona del visible e infrarrojo. Esta lámpara es útil para la región entre 320 – 2500 nm. -Atenuador: diafragmas, rendijas -Celdas Recipientes para la muestra La mayor parte de las aplicaciones espectrofotométricas utiliza las muestras en solución líquida líquida, por esta razón se requieren recipientes para colocar la muestra (celdas). La celda debe transmitir el 100% de la energía radiante en la zona espectral de trabajo. Región U.V. = Celdas de cuarzo, sílica fundida, Vycor. Región VIS = Celdas de vidrio, pyrex, algún tipo de plástico. La longitud más común para el trabajo en las regiones UV-VIS es 1 cm (otras son: 2,, 5 y 10 cm). ) Sistema Optico En Espectrofotometría VIS-UV es esencial disponer de una radiación constituída por un grupo limitado y contínuo de λ (Banda) ya que: La ley de Beer se aplica a radiación monocromática. Los anchos de banda estrechos aumentan la SENSIBILIDAD al disminuir la señal del blanco pero no de la muestra muestra. Mejoran, también, la SELECTIVIDAD, con menos λ menor probabilidad de que sustancias distintas del analito absorban. Están constituidos por dos componentes: •Sistema para dirigir la radiación Se utilizan: Diafragmas Diafragmas, Rendijas, Rendijas Lentes Lentes, Espejos, Espejos etc. etc •Sistema de aislamiento de λ. Sistemas NO DISPERSIVOS: Actúan atenuando todas las λ excepto la deseada. Sistemas DISPERSIVOS: Dispersan la radiación policromática separando espacialmente las λ del espectro. Sistema selector de la longitud de onda: Monocromadores (i) Fotómetro (colorímetro): este tipo de instrumentos utiliza filtros que permiten obtener bandas de radiación que abarcan un intervalo limitado de longitudes de onda (con un fotómetro no es posible obtener una banda de absorción variable en forma continua). Color filtro Color solución 380–435 Azul Amarillo 480–490 Verde azuloso Rojo 500–560 Verde amarillento Violeta 580–595 Anaranjado Azul verdoso 595–650 Rojo Verde azuloso Región λ (nm (ii) Espectrofotómetro: utilizan un complejo sistema óptico de selección de longitud de onda (sistema monocromador), el cual consta de variados componentes p tales como: •prisma o rejilla; •lentes; •espejos; •ranuras de entrada y salida. Estos instrumentos pueden seleccionar longitud de onda en forma continua y en algunos casos con precisión de décimas de nm. Por lo tanto, es posible obtener en forma continua el espectro de absorción de una molécula. Sistemas NO DISPERSIVOS: FILTROS Son láminas que al interponerse en el paso de la luz absorben parte de la radiación o la interfieren, permitiendo que pase únicamente la luz deseada. Filtros Filtros de Absorción De paso de banda De corte Filtros de Interferencia Filtros de absorción: Actúan dejando pasar una banda de λs (Filtros de paso de banda) o bloqueando las λs más largas o más cortas que una λ determinada (Filtros de corte). Ancho de banda efectiva = 30-50 nm. Filtro de paso de banda Δλ = ancho de banda efectivo Filtro de corte λc = λ de corte λm = λ a la que T = 90-99% de Tm λh= λ a la que T = 0,5 Tm Sistemas NO DISPERSIVOS: FILTROS Filtros de interferencia: Se basan en las interferencias ópticas para obtener una banda de λs relativamente estrecha. Ancho de banda efectivo: 5-10 nm. Se construyen con un dieléctrico transparente, CaF2 ó MgF2, que ocupa el espacio entre dos películas metálicas semitransparentes muy delgadas, delgadas generalmente de Ag. Todo ello colocado entre dos capas de vidrio transparente. . Sistemas NO DISPERSIVOS: FILTROS Filtros de interferencia: El grosor de la capa dieléctrica, t, se controla cuidadosamente y determinará la λ que se transmite. t Para que exista reforzamiento en 2 (rayo reflejado en 1´) y produzca una interferencia constructiva con el rayo que incide en 2), la diferencia de camino óptico entre los rayos debe ser un múltiplo entero de la λ en el medio dieléctrico. dieléctrico Sistemas NO DISPERSIVOS: FILTROS Filtros de interferencia Los filtros de interferencia son mejores que los de absorción: 1. Anchos de banda efectivos menores (5-10 nm frente 40-50 en Filtros de Absorción). 2. El porcentaje de transmitancia en el máximo es más alto 70-85% del inicial, mientras que en los filtros de absorción es 50 %. Sistemas DISPERSIVOS: MONOCROMADORES • Dispersan la radiación separando espacialmente las distintas λ de la luz policromática. • Proporcionan bandas de ancho pequeño. • Aíslan una pequeña banda de la luz policromatica, policromatica es decir decir, monocroman la radiación. Redes de transmisión Monocromadores de red Redes de reflexión Monocromadores Monocromadores de Prisma Constan de tres componentes: 1. Sistema dispersante: Red o prisma 2. Lentes, colimadoras y de enfoque, para dirigir la radiación 3. Rendijas de entrada y salida. Red de difracción por reflexión Red de difracción por reflexión Ley de Bragg n λ = 2 d sen Φ Detección de la radiación Dispositivo electrónico llamado transductor que convierten la energía radiante en una señal eléctrica. Requisitos: • Responder a la E.R. en un amplio intervalo de λ. • Poseer elevada sensibilidad. • Respuesta lineal. • Tiempo de respuesta rápido, etc… Detectores de fotones: • Celdas fotovoltaicas. • Tubos fotomultiplicadores. • Fototubos. • Diodo de silicio. Efecto fotoeléctrico El efecto fotoeléctrico consiste en la emisión de electrones p por un metal cuando se hace incidir sobre él una radiación electromagnética (luz visible o ultravioleta, en general). En la actualidad los materiales fotosensibles más utilizados son, aparte de los derivados del cobre (ahora en menor uso), el silicio, que produce corrientes eléctricas mayores. DETECTORES DE FOTONES Fototubo: La radiación causa una emisión de electrones de una superficie sólida fotosensible. Basado en el efecto fotoelectrico. e- Anodo Catodo e- e- El material fotosensible del cátodo(ej. óxidos de metales alcalinos) emite electrones al ser irradiado. Debido al voltaje j aplicado p entre los electrodos, los electrones se dirigen al ánodo, por el circuito fluye una corriente cuya intensidad es directamente proporcional a la intensidad de la radiación que la provoca. • Se utilizan en el UV-VIS (190-700 nm) •Es más sensible q que la célula fotovoltaica. Está constituido por un cátodo semicilíndrico y un ánodo de filamento en una ampolla de cuarzo o vidrio donde se ha hecho el vacío. Entre los electrodos se aplica un voltaje DETECTORES DE FOTONES Tubo fotomultiplicador: Al ser iluminado el cátodo fotosensible se emite electrones que son acelerados por el campo eléctrico e inciden sobre varias superficies liberando una cascada de electrones secundarios, 106- 107 electrones por cada fotón incidente. Fotocátodo hν Ventana de cuarzo Dínodo 1 Dínodo 2 Dínodo 3 Ánodo •Son muy sensibles a la radiación di ió VIS y UV UV. •Tienen tiempos de respuesta muy rápidos. Constituido por un cátodo fotosensible (similar al fototubo) y un ánodo colector separados por una serie de electrodos positivos de MgO, GaP (entre 5-11), llamados dínodos (cada uno a un voltaje 90 V superior al anterior) que emiten de 2 a 5 electrones cuando son golpeados con electrones de suficiente energía. Espectroscopía de emisión fluorescente Análisis cuantitativo: linealidad Log [F0 / F0 – F] = a . b. c F0: 100, referencia: sulfato de quinina / HClO4 0.1 M F: señal de fluorescencia del analíto 2 – log (100 – F) A cte. A: t de d proporcionalidad i lid d B: ancho de la celda C: concentración del analíto Técnica muy sensible C Rango dinámico lineal a bajas concentraciones amplio Métodos espectroscópicos -directo - indirecto UV-visible involucra una reacción química Térmica Enzimática Desarrollo de color: método colorimétrico -Bebidas analcoholicas (Coca-ColaTM) Método directo: cafeína -Bebidas alcoholicas (vino) Método directo: ác. Sórbico Método indirecto: test de ác. Tiobarbitúrico (lípidos) -Hidratos de carbono Método directo: relación de hexosas a pentosas Método indirecto: Test de Duboi, H2SO4 fenol -Lípidos Método indirecto Test de Stern-Shapiro (ác. Hidroxámicos) Método indirecto: Test de ác. tiobarbitúrico