Espectroscopía: Principios, Instrumentación y Aplicaciones

Espectroscopía de Resonancia Magnética Nuclear (RMN)

Instrumentación

• Imán: Componente principal y más caro. La sensibilidad y la resolución aumentan con la intensidad del campo. El campo debe ser muy homogéneo y reproducible.
• Pulso de radiofrecuencia: Intenso y reproducible. Incide en la muestra contenida en el interior de la bobina.
• Bobina: Corrientes controladas que generan pequeños campos para compensar la heterogeneidad del campo principal.

Aplicaciones

1. Identificación de compuestos: Herramienta poderosa e indispensable para la identificación de compuestos puros. Se suele utilizar junto con espectros de infrarrojo (IR), ultravioleta-visible (UV-Vis) o espectrometría de masas.
2. Análisis cuantitativo: Existe proporcionalidad directa entre el área de los picos y el número de núcleos responsables de la aparición del pico. Su uso es limitado por el coste de los instrumentos (se prefiere el mismo análisis con otras técnicas).

Imagen por Resonancia Magnética Nuclear (MRI)

1. El campo se aplica con intensidad creciente hacia la cabeza: los protones de la cabeza giran más rápido.
2. Diferentes tejidos como la materia blanca, la materia gris o el líquido cefalorraquídeo emiten distintas cantidades de energía.
3. Esta técnica proporciona muchas imágenes distintas del cerebro, dando información sobre:
   1. Conexión cerebral.
   2. Volumen de materia gris (procesamiento de la información).
   3. Cómo las diferentes regiones del cerebro trabajan juntas.

Espectroscopía de Luminiscencia

Instrumentación

Fluorímetros

• Similares a los espectrofotómetros UV-Vis.
• El doble haz compensa las fluctuaciones en la potencia radiante. El haz de referencia se atenúa para que tenga una intensidad similar a la de la fluorescencia.
• La radiación fluorescente es recogida en dirección perpendicular a la excitación.
• Fuentes: lámpara de vapor de mercurio (Hg), arco de xenón (Xe) o láseres.

Fosforímetros

• Similares a los fluorómetros pero con dos componentes adicionales:
  1. Dispositivo que irradia la muestra y, después de un retraso de tiempo adecuado, mide la intensidad de la fosforescencia. Este retraso es necesario para distinguir la fosforescencia de la fluorescencia que se pudiera originar.
  2. Recipiente Dewar con ventanas de cuarzo donde se coloca nitrógeno líquido y donde se sitúa la muestra. Las medidas se hacen a muy baja temperatura para evitar la desactivación por colisiones.

Aplicaciones

• Sensibilidad: cantidad mínima detectable.
  • Absorción UV-Vis: ppm (μg/mL)
  • Fluorimetría: ppb (ng/mL)
  • Fosforimetría: < ng/mL
• Selectividad: no todas las moléculas muestran luminiscencia, por tanto, son más selectivos que los métodos de absorción.
• Facilidad: más parámetros bajo control.
• Determinación fluorimétrica de especies inorgánicas: Metales no de transición.

Espectroscopía Ultravioleta-Visible (UV-Vis)

Instrumentación

Espectrofotómetro:

• Fuentes de radiación: continua y cuyo potencial no cambie de forma brusca en un amplio intervalo de longitudes de onda (λ).
  • Lámparas de deuterio/hidrógeno
  • Filamentos de tungsteno/halógeno
  • Diodos emisores de luz (LED)
  • Lámparas de arco de xenón
• Recipientes (cubetas): material que deje pasar la radiación en la región de interés.
  • UV: cuarzo o sílice fundida
  • Visible: vidrios de silicato o plástico

Aplicaciones

• Determinación de la estructura molecular:
  • Determinación de constantes de fuerza de enlaces (orden de enlace, resonancia, estabilidad)
  • Distancias intermoleculares
  • Interacciones
• Aplicaciones analíticas:
  • Análisis cualitativo:
    • Identificación de compuestos
    • Composición y estructura de compuestos nuevos
  • Análisis cuantitativo (limitado):
    • Composición relativa en mezclas

Espectroscopía de Infrarrojo (IR)

Instrumentación

Los componentes básicos de un espectrofotómetro son la fuente de luz, la cubeta, la maquinaria óptica (rejillas, ranura, monocromadores) y el detector.

Fuentes de radiación IR

• Sólidos inertes calentados eléctricamente a temperaturas comprendidas entre 1500 y 2200 K.
• Ejemplos:
  1. Emisor de Nernst: cilindro de óxido de torio (Th), zirconio (Zr), cerio (Ce), itrio (Y) o erbio (Er).
  2. Globar: barra de carburo de silicio (SiC). Susceptible a oxidación.
  3. Filamento nicromo: espiral muy apretada de alambre de nicromo (aleación de níquel (Ni) y cromo (Cr)).
  4. Arco de mercurio: tubo de cuarzo con vapor de mercurio a presión.
  5. Filamento de wolframio: adecuada para IR cercano (4000 a 12800 cm^-1).
  6. Láser de CO₂: produce 100 líneas discretas que se pueden elegir.

Óptica y monocromadores

• Líquidos: deposición de gotas en ventana de sal mineral.
  • Disolvente acuoso: fluoruro de calcio (CaF₂), fluoruro de bario (BaF₂)
  • Disolvente no acuoso: cloruro de sodio (NaCl), bromuro de potasio (KBr)
• No hay disolvente que sea transparente en toda la región del IR.

Muestra

• Sólidos:
  • Mezcla de la muestra con KBr.
  • Preparación de una pastilla por presión.

Detectores

• Térmicos: se miden cambios de temperatura.
  • Termopares: unión de dos metales que genera una diferencia de potencial en función de la temperatura.
  • Bolómetros: se mide la variación de resistencia en función de la temperatura.
• Piroeléctricos: el cambio de temperatura altera la distribución de carga, generando un potencial eléctrico.
• Fotoconductores: película delgada de material semiconductor. La radiación IR impulsa electrones a la banda de conducción.

Espectrofotómetro de doble haz

• La luz de la fuente se divide en dos haces:
  • Uno dirigido a la muestra.
  • Uno dirigido a una referencia (blanco).
• Permite eliminar las bandas debidas al agua (H₂O) y dióxido de carbono (CO₂) del aire que pueden enmascarar bandas de absorción de la muestra.

Espectroscopía de Infrarrojo con Transformada de Fourier (FT-IR)

• Espectroscopía convencional: potencia radiante en función de ν o λ (espectroscopía de dominio de frecuencias).
• Espectroscopía FT-IR: potencia radiante en función del tiempo (espectroscopía de dominio de tiempo).
• Conversión mediante la transformada de Fourier (función matemática).
• El registro de I = f(t) se hace mediante el interferómetro de Michelson.
• Técnica muy utilizada en IR. Ventajas:
  1. Rendimiento: utiliza pocos instrumentos ópticos. La potencia de radiación que alcanza el detector es mayor. La relación señal/ruido es muy superior.
  2. Resolución: muy alto poder de resolución y reproducibilidad en todo el intervalo de λ. Permite el análisis de espectros complejos.
  3. Rapidez: permite registrar un espectro completo en tiempos de un segundo o menores.

Espectroscopía de Rayos X

Aplicaciones en la industria farmacéutica

• El conocimiento de la estructura es fundamental para entender las propiedades de los fármacos.
• Determinación de estructuras cristalinas: información clave para distinguir polimorfos (distintas configuraciones espaciales de los principios activos).
• Los polimorfos presentan propiedades diferenciadas; el polimorfismo es crucial en la industria farmacéutica:
  • Propiedades físicas: dureza, densidad.
  • Propiedades fisicoquímicas: estabilidad, punto de fusión.
  • Propiedades farmacológicas: toxicidad o inefectividad.
• Polimorfismo del paracetamol: El empaquetamiento de las moléculas de paracetamol da lugar a una estructura cristalina y polimorfismo (distintas estructuras cristalinas).
  • Forma I (monoclínica):
    • Más estable termodinámicamente.
    • Dificultad de compresión (carece de planos de deslizamiento).
    • Necesidad de excipientes (aglutinantes) para formar pastillas.
  • Forma II (ortorrómbica):
    • Metaestable (evoluciona con el tiempo a la forma I).
    • Capacidad de deformación plástica (uso en comprimidos).
    • Mejor solubilidad en agua.

Instrumentación General

El espectrofotómetro es el instrumento utilizado para medir la intensidad (A o T) de la radiación monocromática. Las partes básicas del espectrofotómetro:

• Las fuentes de luz son muy variables. Las lámparas más comunes son las de H₂ y D₂ (en la que el hidrógeno se excita y se disocia, devolviendo energía en forma de luz) y la de tungsteno (filamento incandescente).
• El monocromador permite seleccionar la longitud de onda, utilizando prismas, rejillas, refracciones u otros mecanismos. Todos consiguen separar la luz en distintas longitudes de onda. Los más utilizados actualmente son los de rejilla, aunque antes se utilizaban solo las de prisma. El ancho de banda de los de rejilla es bastante estrecho lo que permite tener luz casi monocromática.
• En función de la fuente de radiación se utilizan celdas o cubetas distintas. Para el espectro visible se utilizan de vidrio de silicatos, para el UV sílice fundido o cuarzo y para IR sales de halógeno, aunque estas últimas son difíciles de utilizar porque suelen ser insolubles.
• Un detector.