Ep 16 — Preparación práctica de muestras y errores comunes
Serie: Enciclopedia de espectroscopia infrarroja: de los principios a la práctica
Sección: Segunda parte · Nivel básico — Entrando al laboratorio
Público objetivo: Estudiantes de secundaria/preuniversitario, universitarios, investigadores, técnicos de laboratorio novatos
Conocimientos previos: Ep 13 (Método de transmisión), Ep 14 (ATR), Ep 15 (ATR vs Transmisión)
Tiempo de lectura: Aproximadamente 40 minutos
Introducción: El nacimiento de un espectro "fantasma"
Un viernes por la tarde, el novato Xiao Li, emocionado, entró corriendo al laboratorio de espectroscopia con su nueva pastilla de KBr. Apareció el espectro — «Oye, ¿por qué hay un pico grande a 3400 cm⁻¹?». Pensó que era un grupo hidroxilo de la muestra, pero al comparar con el estándar no coincidía en absoluto. Después de media tarde de experimentos repetidos, finalmente se dio cuenta — el KBr había absorbido humedad. El "pico fantasma" a 3400 cm⁻¹ era en realidad la vibración de estiramiento O-H del vapor de agua del aire [1][2].
Espectros "fantasma" similares ocurren casi a diario en los laboratorios de infrarrojo:
- Demasiada muestra → pico plano (flat-top), absorbancia > 2, espectro "truncado"
- Muy poca muestra → SNR pésimo, picos pequeños ahogados en el ruido
- Molienda insuficiente → línea base inclinada, dispersión severa
- Mal contacto en ATR → señal débil en todo el espectro como si fuera fondo
- Espesor de celda líquida demasiado grande → picos del solvente ocultan completamente al soluto
La raíz de estos errores no está en el instrumento, sino en la preparación de la muestra. En espectroscopia hay un dicho: "Basura entra, basura sale" (Garbage in, garbage out) — ni el mejor instrumento puede salvar una preparación deficiente [1][3].
En esta lección, cubriremos sistemáticamente las técnicas prácticas para preparar muestras sólidas, líquidas y acuosas, analizaremos más de 10 casos típicos de espectros erróneos y proporcionaremos una "lista de comprobación para evitar errores". Después de leer esta lección, podrás obtener un espectro utilizable en tu primer experimento.
1. Preparación práctica de muestras sólidas
Las muestras sólidas son la forma más común en análisis por infrarrojo, y los métodos principales son la pastilla de KBr y el ATR. Esta sección se centra en la pastilla de KBr (transmisión); las técnicas de ATR se tratan en la sección 4.
1.1 Método de pastilla de KBr: un clásico
El método de pastilla de KBr fue propuesto por Stimson y O'Donnell en la década de 1950 [4], y sigue siendo el método principal para mediciones de transmisión en sólidos. El principio es mezclar la muestra con polvo de KBr seco, moler y prensar en una pastilla transparente delgada a través de la cual pasa la luz infrarroja.
Procedimiento estándar [1][3][4]:
1. Secar KBr → 2. Pesar muestra → 3. Moler y mezclar
105 °C al vacío 1–2 mg Mortero de ágata
toda la noche (1:100–1:200) Sentido horario 2–5 min
↓
4. Colocar en molde → 5. Prensar al vacío → 6. Extraer pastilla
3 mm de profundidad 8–10 ton Pastilla transparente
30 seg–2 min Espesor 0.5–1 mm
Figura 1: Diagrama del procedimiento estándar del método de pastilla de KBr (basado en [1][4])
1.2 Secado de KBr: el primer paso crítico para el éxito
El KBr es extremadamente higroscópico; si no se seca adecuadamente, aparecerán "picos fantasma de agua" en las siguientes posiciones [1][2][5]:
| Número de onda (cm⁻¹) | Asignación | Interferencia |
|---|---|---|
| 3400 (ancho) | Estiramiento O-H | Alcoholes, ácidos, fenoles |
| 1640 | Flexión H-O-H | Banda amida I, C=C |
| 550–700 | Flexión O-H (ancho) | CH fuera del plano de anillos aromáticos |
Tabla 1: Posiciones de "picos fantasma" por absorción de humedad del KBr (datos de [1][2])
🔗 Extensión: Consulte los picos de absorción detallados de la molécula de agua en ftir.fun página del grupo funcional agua.
Métodos de secado [1][3][5]:
- Convencional: 105 °C durante 2–4 horas, almacenar en desecador a 130 °C
- Estricto: 150 °C al vacío durante toda la noche (recomendado para análisis de alta precisión)
- Emergencia: El "KBr de grado espectroscópico" comercial ya está pre-secado; usar inmediatamente después de abrir
Condiciones de operación [3][5]:
- Humedad < 30% HR es óptima (se necesita aire acondicionado deshumidificador o guantera seca)
- Humedad 30–50% HR es aceptable, pero se debe trabajar rápido
- Humedad > 50% HR no se recomienda para pastillas de KBr
⚠️ Error común de principiantes: Dejar el KBr secado al aire en un recipiente abierto; en 2 horas ya ha reabsorbido humedad. Lo correcto es guardarlo en un desecador sellado y sacarlo solo al usarlo.
1.3 Proporción muestra:KBr — La regla de oro 1:100
La proporción clásica es muestra : KBr = 1:100 a 1:200 (relación de masa) [1][3][4].
¿Por qué 1:100? [1][4]
- Muy poca muestra → absorbancia < 0.1, SNR malo, picos pequeños invisibles
- Demasiada muestra → absorbancia > 2, pico plano (flat-top), distorsión cuantitativa
- Con 1:100, la absorbancia del pico principal es aproximadamente 0.5–1.0, justo en el rango óptimo
Ejemplo: 1 mg de muestra + 100 mg de KBr = 200 mg total (pastilla de 13 mm de diámetro, espesor ~0.7 mm)
Estrategia de ajuste [1][3]:
- Muestras con absorción fuerte (p. ej., con C=O, C-O-C): 1:200 o 1:500
- Muestras con absorción débil (p. ej., hidrocarburos saturados, compuestos de azufre): 1:50 o 1:20
- Regla práctica: primero probar con 1:100 y ajustar según la altura de los picos
1.4 Tamaño de partícula de molienda: un requisito estricto de < 2 μm
El tamaño de partícula determina directamente la calidad del espectro. La ley de dispersión de Rayleigh nos dice [1][3][6]:
$$I_{\text{scatter}} \propto \frac{d^3}{\lambda^4}$$
donde $d$ es el diámetro de la partícula y $\lambda$ es la longitud de onda de la luz. Cuanto mayor sea el diámetro de partícula $d$, más severa será la dispersión [1][6].
Umbral experimental [1][3][6]:
- $d < 2\,\mu\text{m}$: dispersión despreciable, espectro normal
- $d = 2$–$10\,\mu\text{m}$: dispersión notable, línea base inclinada, espectro deformado
- $d > 10\,\mu\text{m}$: dispersión severa, espectro distorsionado, inutilizable
Técnicas de molienda [3][5]:
- Primero moler la muestra sola hasta obtener polvo fino (si es cristal duro, triturar primero)
- Agregar aproximadamente 1/3 del KBr, moler durante 1 minuto
- Agregar el resto del KBr, continuar moliendo 2–5 minutos
- Alternar molienda en sentido horario y antihorario para asegurar homogeneidad
- El polvo molido debe ser tan fino como la harina, sin sensación granular
Selección del mortero de ágata [3]:
- Diámetro 50–75 mm (adecuado para un total de 100–300 mg)
- Debe ser de ágata (alta dureza, inerte químicamente, no introduce impurezas)
- Limpiar con etanol antes y después de moler para evitar contaminación cruzada
💡 Consejo profesional: Al moler, no "presionar", sino "moler" — usar el pistilo para dibujar círculos en la pared del mortero, dejando que las partículas se afinen por fricción. Presionar la muestra puede destruir la forma cristalina (si se requiere análisis de forma cristalina, es necesario usar ATR) [3].
1.5 Operación de prensado
Molde [3][4]:
- Diámetro 13 mm (el más común)
- Diámetro 7 mm (para muestras pequeñas)
- Material: acero de alto carbono, endurecido
Pasos de prensado [3][4]:
- Limpiar el molde: frotar molde y punzón con etanol
- Cargar el polvo: distribuir uniformemente el polvo molido en el molde y nivelarlo
- Hacer vacío (si hay conexión de vacío): 30 segundos para eliminar el aire entre las partículas
- Presionar: 8–10 ton (fuerza de 10–14 kN), mantener 30 seg–2 minutos
- Despresurizar: lentamente (para evitar que la pastilla se rompa)
- Extraer: empujar cuidadosamente la pastilla, evitando tocar con los dedos
Criterios de una buena pastilla [3][4]:
- Transparente o translúcida (opaca = mala prensada)
- Sin grietas ni agujeros
- Espesor uniforme (aproximadamente 0.5–1 mm)
- Bordes intactos
⚠️ Errores comunes de principiantes:
- Presurizar demasiado rápido → pastilla se rompe
- Despresurizar demasiado rápido → tensión interna en la pastilla, se rompe al medir
- No limpiar el molde → contaminación de la muestra anterior
1.6 Otros métodos de preparación de muestras sólidas
① Método de película [1][3]
- Adecuado para polímeros solubles (p. ej., poliestireno, PMMA)
- Preparar solución al 1–5%, gotear sobre ventana de KBr, evaporar para formar película
- Ventajas: película uniforme, cuantificación precisa
- Precaución: el disolvente debe evaporarse completamente (evitar interferencia de picos del disolvente)
② Método de pasta de aceite mineral (Nujol Mull) [1][3]
- Adecuado para muestras donde no se desea interferencia de iones de KBr (p. ej., algunas sales inorgánicas)
- Muestra + unas gotas de aceite mineral, moler hasta formar pasta
- Aplicar sobre ventana de KBr para medir
⚠️ Nota: El Nujol tiene absorciones propias a 2920 cm⁻¹, 1460 cm⁻¹ y 1380 cm⁻¹ (C-H). Al interpretar, se debe restar el espectro del Nujol o evitar esas regiones.
③ Método de dispersión en polvo (DRIFTS) [1][2]
- Adecuado para muestras en polvo que no se pueden prensar en pastillas
- Usar accesorio de reflectancia difusa (DRIFTS)
- Ventajas: sin necesidad de prensado, rápida preparación
- Desventajas: los espectros pueden presentar distorsiones por la reflectancia difusa, requieren corrección matemática
2. Preparación práctica de muestras líquidas
Las muestras líquidas se dividen en tres categorías: líquidos puros, soluciones y suspensiones/emulsiones. Los métodos principales son: método de celda líquida (transmisión), método de gota en ATR y método de película líquida.
2.1 Método de celda líquida: control preciso del espesor
Estructura de la celda líquida [1][3]:
- Consta de dos ventanas (ventanas de KBr, CaF₂, ZnSe, etc.) y un espaciador (separador de plomo o PTFE)
- El espesor está determinado por el espaciador (comúnmente 0.015–0.5 mm)
- Las celdas fijas tienen espesor fijo; las celdas desmontables permiten cambiar el espaciador
Selección del espesor de la celda líquida [1][3][4]:
| Tipo de muestra | Espesor recomendado | Absorbancia máxima esperada |
|---|---|---|
| Líquidos puros (sin diluir) | 0.015–0.025 mm | A > 2 (ajustar según sea necesario) |
| Soluciones (1–10%) | 0.1–0.5 mm | A ~0.5–1.5 |
| Soluciones diluidas (<1%) | 0.5–1.0 mm | A < 1.0 |
Tabla 2: Guía de selección de espesor de celda líquida (datos de [1][4])
Regla de oro: La ley de Beer-Lambert A = εbc indica que el espesor de la celda es inversamente proporcional a la concentración. Para obtener una absorbancia entre 0.2 y 1.5, ajustar el espesor según la concentración [1][3].
Procedimiento operativo [3]:
- Limpiar las ventanas: secuencialmente con acetona, etanol, agua desionizada, y secar
- Ensamblar la celda: colocar el espaciador entre las ventanas, apretar suavemente (evitar torceduras)
- Inyectar la muestra: usar una jeringa para inyectar lentamente desde un lado, evitando burbujas (inyectar un exceso para asegurar que la celda esté llena)
- Medir el espectro
- Limpiar después del uso: inyectar disolvente para eliminar la muestra, luego secar con gas inerte
⚠️ Puntos críticos:
- Las burbujas causan dispersión y falsos picos
- Las fugas en la celda contaminan el instrumento (verificar el sellado)
- Las ventanas de KBr no resisten el agua (uso de ventanas de CaF₂ o ZnSe para muestras acuosas)
Selección de ventanas [1][3]:
| Material de la ventana | Rango de transmisión (cm⁻¹) | Resistencia al agua | Dureza | Precio |
|---|---|---|---|---|
| KBr | 4000–400 | Mala | Baja | Barato |
| CaF₂ | 4000–1110 | Buena | Alta | Medio |
| ZnSe | 4000–650 | Buena | Media | Medio |
| NaCl | 4000–600 | Mala | Baja | Barato |
Tabla 3: Comparación de materiales de ventanas para celda líquida (basado en [1][3])
2.2 Método de película líquida: simple y rápido
Adecuado para líquidos puros o soluciones concentradas (sin necesidad de celda líquida) [1][3]:
Procedimiento:
- Colocar 1–2 gotas de muestra en una ventana de KBr
- Colocar otra ventana de KBr encima, apretar suavemente para formar una película
- Fijar con un soporte de celda (sin espaciador, el espesor está determinado por la viscosidad y la presión)
Ventajas: sin necesidad de limpieza de celda, rápido
Desventajas: el espesor no es controlable, no adecuado para cuantificación, fácil formación de burbujas
⚠️ Precaución: Después de medir, separar inmediatamente las ventanas y limpiar (si la muestra es pegajosa o volátil, puede dañar las ventanas o contaminar).
2.3 Método de ATR para líquidos
El método de ATR es la primera opción para la mayoría de muestras líquidas, especialmente soluciones acuosas (detalles en la sección 4) [2][7].
Puntos clave:
- Se requiere una gota (aproximadamente 10–50 μL) para cubrir completamente el cristal ATR
- El líquido debe estar en contacto completo con el cristal (sin burbujas)
- Se debe medir el fondo con el cristal limpio, luego agregar la muestra para medir
- Para soluciones acuosas diluidas, se puede usar un accesorio ATR con flujo continuo
Ventajas:
- Sin necesidad de ajuste de espesor
- Sin interferencia del disolvente (la profundidad de penetración es de solo 1–2 μm, el disolvente contribuye poco)
- Adecuado para muestras acuosas, pegajosas y corrosivas
3. Desafíos y soluciones para muestras acuosas
El agua es un disolvente común, pero su fuerte absorción infrarroja dificulta el análisis. Las bandas de absorción del agua líquida [1][5]:
- 3400 cm⁻¹ (estiramiento O-H, muy fuerte, ancho)
- 1640 cm⁻¹ (flexión H-O-H, fuerte)
- ~600 cm⁻¹ (libración, ancho)
Después de restar el fondo, aún quedan restos de picos de agua, especialmente en la región de 3000–3700 cm⁻¹ y 1600–1700 cm⁻¹.
3.1 Métodos para deshidratar muestras acuosas
Si es posible, se deben eliminar las moléculas de agua antes de la medición [2][5]:
① Métodos físicos:
- Liofilización: adecuada para muestras termolábiles; congelar y luego secar al vacío
- Secado por pulverización: para soluciones
- Secado por soplado de nitrógeno: adecuado para muestras acuosas no volátiles; secar con una corriente de nitrógeno a temperatura ambiente o ligeramente caliente
② Métodos químicos:
- Usar agente desecante para secar la solución antes de la medición (como añadir tamiz molecular, secar antes de la medición)
③ Método de intercambio de disolvente:
- Cambiar el disolvente de agua a un disolvente orgánico con poca absorción infrarroja (como etanol, acetona, etc.) mediante extracción líquido-líquido
3.2 Medición directa de muestras acuosas
Cuando la deshidratación no es posible, se debe utilizar el método ATR [2][7]:
Selección del cristal ATR para muestras acuosas:
| Material del cristal | Profundidad de penetración a 1000 cm⁻¹ (μm) | Resistencia al agua | pH aplicable |
|---|---|---|---|
| Diamante | ~1.0 | Excelente | 1–14 |
| ZnSe | ~2.2 | Buena | 5–9 |
| Ge | ~0.7 | Buena | 1–14 |
Tabla 4: Comparación de cristales ATR para muestras acuosas (basado en [2][7])
Los cristales de diamante y germanio tienen menor profundidad de penetración, efectivamente reduciendo la absorción del agua [7].
Técnica de capa delgada para ATR:
- Colocar una pequeña gota de muestra sobre el cristal ATR, evaporar el exceso de agua (no secar completamente, solo reducir el espesor de la película líquida)
- La profundidad de penetración es de solo unos pocos μm, por lo que una película delgada puede obtener señal suficiente
Método de celda líquida de flujo:
- Usar una celda de flujo con ventanas de CaF₂ o ZnSe, combinada con ATR
- La muestra fluye continuamente, reduciendo la acumulación de calor y el calentamiento de la muestra
3.3 Resta de fondo de agua mediante software
Para muestras acuosas diluidas, se puede utilizar la resta espectral por software para eliminar la interferencia del agua [2][5]:
Procedimiento:
- Medir el espectro de la solución muestra
- Medir el espectro del agua pura en las mismas condiciones
- Usar el software para restar el espectro del agua (ajustar el factor de resta hasta que desaparezca el pico de agua)
Precauciones:
- Asegurarse de que la temperatura y el pH sean consistentes (el espectro del agua cambia con la temperatura)
- Pueden producirse artefactos por la resta, que deben verificarse con el espectro estándar
4. Técnicas de ATR y errores comunes
4.1 Factores clave para el éxito de ATR
① Contacto muestra-cristal [2][7]:
El principio de ATR se basa en la reflexión interna total; la muestra debe estar en estrecho contacto con el cristal. La fórmula para la profundidad de penetración $d_p$ [7]:
$$d_p = \frac{\lambda}{2\pi n_1 \sqrt{\sin^2\theta - (n_2/n_1)^2}}$$
donde $n_1$ es el índice de refracción del cristal (mayor índice, menor profundidad de penetración); $n_2$ es el índice de refracción de la muestra; $\theta$ es el ángulo de incidencia.
Requisitos de contacto:
- Muestras sólidas: deben ser planas y lisas, presionar firmemente
- Muestras en polvo: se requiere prensar directamente sobre el cristal o usar un accesorio especial para polvo
- Muestras líquidas: una gota es suficiente, asegurar que no haya burbujas
② Presión [2][7]:
- La mayoría de accesorios ATR tienen un brazo de presión para ejercer fuerza sobre la muestra sólida
- La presión adecuada puede mejorar la relación señal/ruido
- Presión excesiva puede dañar el cristal (especialmente ZnSe y Ge)
③ Limpieza del cristal [7]:
- Después de cada medición, limpiar inmediatamente la superficie del cristal con un paño suave humedecido con disolvente apropiado
- No usar objetos duros para raspar (arañazos afectan la transmisión de la luz)
- Inspeccionar periódicamente la limpieza del cristal (verificar si hay residuos mediante un espectro de fondo)
4.2 Análisis de casos comunes de errores en ATR
Caso 1: Señal débil en todo el espectro
- Causa: La muestra no está en contacto con el cristal (sólido no plano o muestra líquida insuficiente)
- Solución: Asegurar que la muestra esté firmemente presionada o agregar más gotas
Caso 2: Línea base inclinada
- Causa: La muestra tiene partículas grandes que causan dispersión
- Solución: Moler la muestra a un polvo más fino o usar mayor presión
Caso 3: Picos de CO₂ (alrededor de 2350 cm⁻¹)
- Causa: El portamuestras ATR no está purgado con gas o hay fugas de aire
- Solución: Usar purga de nitrógeno o sistema cerrado
Caso 4: Pico de agua (alrededor de 3400 cm⁻¹ y 1640 cm⁻¹)
- Causa: Muestra contiene humedad o el cristal ATR no se ha secado completamente
- Solución: Secar la muestra y el cristal antes de la medición
5. Análisis de 10+ casos típicos de espectros erróneos
5.1 Espectros de pastilla de KBr
| N.º | Fenómeno | Causa | Solución | Figura de referencia |
|---|---|---|---|---|
| 1 | Pico plano (flat-top) a 0% T | Demasiada muestra (absorbancia > 2) | Reducir la cantidad de muestra o aumentar el KBr | [1] Fig 3.5 |
| 2 | Línea base inclinada hacia arriba | Dispersión por partículas grandes, tamaño de partícula > 5 μm | Volver a moler hasta < 2 μm | [3] Fig 2.10 |
| 3 | Pico amplio alrededor de 3400 cm⁻¹ | KBr húmedo | Secar bien el KBr | [1] Fig 2.11 |
| 4 | Pastilla opaca (no transparente) | Presión insuficiente, espesor de pastilla > 1 mm | Aumentar la presión a 10 ton; reducir el espesor | [3] Fig 2.12 |
| 5 | Pastilla con grietas | Despresurización rápida o espesor desigual | Despresurizar lentamente; asegurar espesor uniforme | [3] Fig 2.13 |
| 6 | Pico extraño a 1730 cm⁻¹ | Contaminación de grasa de vacío o dedos | Limpiar el molde y usar guantes | [1] Fig 3.7 |
Tabla 5: Casos típicos y soluciones para espectros de pastilla de KBr
5.2 Espectros ATR
| N.º | Fenómeno | Causa | Solución |
|---|---|---|---|
| 7 | Señal débil, ruido grande | Mal contacto muestra-cristal | Presionar firmemente o aumentar la presión |
| 8 | Distorsión de pico, asimetría | Cristal sucio o rayado | Limpiar o reemplazar el cristal |
| 9 | Pico de CO₂ alrededor de 2350 cm⁻¹ | Purga insuficiente | Mejorar el sistema de purga |
| 10 | Pico de agua alrededor de 3400 cm⁻¹ | Muestra o cristal con humedad | Secar la muestra y el cristal |
| 11 | Sin señal en altos números de onda (p. ej., 3000 cm⁻¹) | Espesor de muestra demasiado grueso (ATR) | Reducir el espesor o usar mayor presión |
| 12 | Línea base descendente | Cristal de índice de refracción bajo, muestra con índice alto | Cambiar a cristal de mayor índice (p. ej., Ge) |
Tabla 6: Casos típicos y soluciones para espectros ATR
5.3 Espectros de celda líquida
| N.º | Fenómeno | Causa | Solución |
|---|---|---|---|
| 13 | Bandas de interferencia (patrón de onda sinusoidal) | Espesor de celda demasiado fino, produce interferencia de Fabry-Pérot | Aumentar el espesor de la celda o usar celda sin paralelismo |
| 14 | Pico del disolvente domina completamente | Concentración de la muestra demasiado baja o espesor demasiado grande | Aumentar la concentración o reducir el espesor |
| 15 | Línea base que se eleva continuamente | Fuga o burbuja en la celda, el disolvente se evapora gradualmente | Verificar el sellado y evitar burbujas |
| 16 | Pico extraño alrededor de 1260 cm⁻¹ y 1020 cm⁻¹ | Contaminación por silicona del lubricante de la jeringa | Usar jeringa limpia o jeringa desechable |
Tabla 7: Casos típicos y soluciones para espectros de celda líquida
6. Lista de comprobación para evitar errores: "Desminado"
Antes de cada experimento, revisar los siguientes puntos uno por uno:
6.1 KBr
- [ ] ¿KBr seco? (almacenado en desecador, sin grumos)
- [ ] ¿Ambiente de baja humedad? (< 50% HR)
- [ ] ¿Proporción correcta? (1:100 a 1:200)
- [ ] ¿Tamaño de partícula después de molienda? (sin sensación granular)
- [ ] ¿Molde limpio? (sin residuos de la medición anterior)
6.2 ATR
- [ ] ¿Cristal limpio? (espectro de fondo normal)
- [ ] ¿Contacto adecuado? (muestra sólida plana, muestra líquida que cubre el cristal)
- [ ] ¿Presión correcta? (adecuada para el tipo de muestra)
- [ ] ¿Purga de nitrógeno encendida? (especialmente al medir CO₂)
6.3 Celda líquida
- [ ] ¿Espesor de celda correcto? (según concentración)
- [ ] ¿Ventanas limpias? (sin rasguños ni manchas)
- [ ] ¿Celda sellada? (sin fugas)
- [ ] ¿Muestra sin burbujas? (inyectar lentamente)
6.4 Operación general
- [ ] ¿Espectro de fondo medido? (mismas condiciones que la muestra)
- [ ] ¿Tiempo de exploración suficiente? (al menos 16–32 barridos para SNR aceptable)
- [ ] ¿Registro de parámetros del instrumento? (resolución, modo de escaneo, fecha)
- [ ] ¿Espectro de referencia medido? (para verificar consistencia)
7. Resumen y lecturas adicionales
7.1 Resumen
- La preparación de la muestra es la clave del análisis por infrarrojo: una mala preparación → espectro basura; buena preparación → datos fiables
- Pastilla de KBr: controlar secado, proporción 1:100, molienda < 2 μm
- Celda líquida: espesor inversamente proporcional a la concentración; evitar burbujas
- ATR: asegurar buen contacto, limpiar el cristal
- Muestras acuosas: priorizar ATR; si se usa transmisión, usar ventanas de CaF₂/ZnSe
- Los 8 errores más comunes: KBr húmedo, proporción incorrecta, molienda insuficiente, pastilla opaca, contacto deficiente en ATR, espesor de celda líquida incorrecto, burbujas, contaminación
7.2 Lecturas adicionales
literatura básica:
- [1] Smith, B. C. (2011). Fundamentals of Fourier Transform Infrared Spectroscopy. 2nd ed. CRC Press. (Capítulo 3: Preparación de muestras, Capítulo 5: Técnicas de muestreo)
- [2] Stuart, B. H. (2004). Infrared Spectroscopy: Fundamentals and Applications. Wiley. (Capítulo 5: Técnicas de muestreo)
Literatura especializada:
- [3] Griffiths, P. R., & de Haseth, J. A. (2007). Fourier Transform Infrared Spectrometry. 2nd ed. Wiley. (Capítulo 11: Técnicas de muestreo)
- [4] Stimson, M. J., & O'Donnell, M. J. (1952). J. Am. Chem. Soc., 74(7), 1805–1808. (Artículo original del método de pastilla de KBr)
Referencias técnicas:
- [5] FTIR.fun. (2024). H2O Absorption in KBr. https://ftir.fun/ir/group/wat…
- [6] Rayleigh, L. (1871). Phil. Mag., 41, 107–120. (Artículo original del principio de dispersión)
- [7] Harrick, N. J. (1967). Internal Reflection Spectroscopy. Wiley. (Libro clásico de ATR)
Edición: Dr. Espectro IR | Revisión: Equipo de ftir.fun | Licencia: CC BY-NC 4.0
El contenido de este artículo es para fines educativos. En caso de errores, por favor contacte: support@ftir.fun
(Fin de toda la lección)
- Desventajas: el aceite mineral tiene fuertes absorciones C-H en 2800–3000, 1460, 1375 cm⁻¹
③ Método de prensado en caliente [3]
- Adecuado para polímeros termoplásticos
- Calentar y presionar para fundir el polímero en una película
- Nota: la temperatura no debe degradar la muestra
II. Práctica de preparación de muestras líquidas
El núcleo de la preparación de muestras líquidas es elegir la celda de líquido con el espesor de trayectoria óptica adecuado. Una elección inadecuada del espesor de trayectoria puede causar dos problemas típicos: demasiado largo provoca saturación (absorbancia > 2), demasiado corto provoca baja relación señal-ruido [1][3][7].
2.1 Clasificación de celdas de líquido
① Celda desmontable (Demountable Cell) [1][3][7]
Estructura: dos ventanas + espaciador (plomo, politetrafluoroetileno)
┌──────────┐
│ Ventana │ ← KBr / NaCl / CaF₂ / ZnSe
│ Espaciador│ ← espesor 0.025–1 mm
│ Muestra │
│ Espaciador│
│ Ventana │
└──────────┘
Figura 2: Esquema de estructura de celda desmontable (ver [7])
Ventajas:
- Fácil de desmontar y limpiar
- Espaciador intercambiable, espesor de trayectoria flexible
Desventajas:
- Baja precisión del espesor de trayectoria (±10%)
- Propensa a fugas
- Las ventanas son higroscópicas
② Celda sellada (Sealed Cell) [1][7]
Espesor de trayectoria fijo (ej. 0.1 mm, 0.5 mm), se llena con jeringa.
Ventajas:
- Espesor de trayectoria preciso (±1 μm)
- Adecuada para análisis cuantitativo
- Adecuada para líquidos volátiles
Desventajas:
- Difícil de limpiar
- Alto costo
③ Microcelda (Micro Cavity Cell) [7]
- Volumen < 1 μL
- Adecuada para muestras valiosas
- Espesor de trayectoria 0.05–0.5 mm
2.2 Elección del espesor de trayectoria: según la muestra y la concentración
Líquido puro (ej. etanol, acetona) [1][3]
- Recomendado 0.025–0.1 mm
- La concentración molar de líquido puro es alta (~10 mol/L), espesor corto suficiente
Solución concentrada (10%–50% soluto) [1][3]
- Recomendado 0.1–0.2 mm
- El pico del solvente puede saturarse, pero el pico del soluto está en el rango óptimo
Solución diluida (1%–10% soluto) [1][3]
- Recomendado 0.5–1 mm
- Para que el pico del soluto caiga en el rango de absorbancia 0.3–1.0
Solución muy diluida (< 1% soluto) [1][3]
- Recomendado 1–10 mm (celda de reflexión múltiple)
- El pico del solvente puede saturarse, pero se puede restar
Fórmula empírica para selección inicial del espesor de trayectoria [1]:
$$b_{\text{optimal}} \approx \frac{1}{\varepsilon_{\text{max}} \cdot c}$$
donde $\varepsilon_{\text{max}}$ es la absortividad molar del pico más fuerte (L·mol⁻¹·cm⁻¹), y $c$ es la concentración (mol/L).
2.3 Elección del material de la ventana
| Material | Rango de transmisión (cm⁻¹) | Solubilidad | Resistente al agua | Precio | Aplicación |
|---|---|---|---|---|---|
| KBr | 40000–400 | Agua, alcohol | No | Bajo | Líquidos orgánicos |
| NaCl | 40000–600 | Agua, alcohol | No | Bajo | Líquidos orgánicos |
| CaF₂ | 50000–1100 | Insoluble | Sí | Medio | Soluciones acuosas |
| BaF₂ | 50000–700 | Ligeramente soluble (ácido) | Sí | Medio | Soluciones acuosas, ácidos fuertes |
| ZnSe | 20000–500 | Insoluble | Sí | Alto | Soluciones acuosas, bases fuertes |
| KRS-5 (TlBr/TlI) | 12000–200 | Insoluble | Sí | Alto | IR lejano (contiene talio, tóxico) |
| CsI | 40000–200 | Agua, alcohol | No | Medio | IR lejano |
Tabla 2: Comparación de materiales de ventana comunes para celdas de líquido (datos de [1][7])
⚠️ ¡KBr/NaCl no deben tocar agua! Son solubles en agua, las soluciones acuosas disuelven las ventanas instantáneamente [1][7].
2.4 Inyección y limpieza de muestras líquidas
Pasos de inyección [3][7]:
- Aspirar la muestra con una jeringa (1 mL)
- Insertar la aguja de la jeringa en el puerto de entrada de la celda
- Empujar lentamente la muestra, observar la llegada desde el otro puerto
- Cerrar las válvulas en ambos extremos (celda sellada) o colocar la tapa (celda desmontable)
- Limpiar el líquido derramado con papel de lente
Pasos de limpieza [3][7]:
- Inyectar solvente (ej. etanol, cloroformo) con una jeringa
- Enjuagar repetidamente 3–5 veces
- Secar con aire comprimido
- Verificar que no haya residuos (tomar un espectro de blanco)
Precauciones [3][7]:
- Usar jeringas diferentes para diferentes muestras para evitar contaminación cruzada
- Enfriar las muestras volátiles antes de inyectar
- Las muestras viscosas requieren calentamiento o dilución
III. Muestras acuosas: desafío y estrategias para el pico del agua
El agua es uno de los mayores "enemigos" del análisis infrarrojo: tiene absorciones muy fuertes en 3400 cm⁻¹ y 1640 cm⁻¹, con absortividad mucho mayor que la mayoría de los compuestos orgánicos [1][5][8].
3.1 Absorción infrarroja del agua
La molécula de agua tiene tres modos vibracionales [1][5][8]:
| Modo vibracional | Número de onda (cm⁻¹) | Intensidad | Descripción |
|---|---|---|---|
| Estiramiento simétrico + antisimétrico O-H | 3400 (ancho) | Muy fuerte | Enmascara N-H de alcoholes, ácidos, amidas |
| Flexión H-O-H | 1640 | Fuerte | Enmascara banda amida I, C=C |
| Balanceo + torsión (combinación) | 2125 | Media | Generalmente no interfiere |
Tabla 3: Principales absorciones infrarrojas de la molécula de agua (datos de [1][5][8])
🔗 Extensión: El mecanismo detallado de la absorción infrarroja del agua se encuentra en ftir.fun página del grupo funcional agua.
3.2 Estrategias de preparación de muestras acuosas
Estrategia 1: Método ATR (primera opción) [3][5][8]
La trayectoria óptica del ATR es de solo μm, el pico del agua es relativamente manejable:
- ATR de diamante de reflexión simple: absorbancia del agua ~0.3–0.8
- ATR de reflexión múltiple: absorbancia del agua puede alcanzar 1.5+
Procedimiento: Colocar 1–2 gotas de solución acuosa sobre el cristal ATR y medir directamente.
Estrategia 2: Celda de transmisión de trayectoria corta [1][7]
- Celda de CaF₂, espesor de trayectoria 6–10 μm
- Absorbancia del agua ~0.5–1.5 (se puede restar)
- Los picos del soluto deben evitar 3400, 1640 cm⁻¹
Estrategia 3: Restar fondo [1][3]
- Medir primero agua pura (fondo)
- Luego medir la solución acuosa de la muestra
- El software resta automáticamente el pico del agua
Pero la resta del agua tiene limitaciones [1][8]:
- Las regiones de absorción total del centro del pico del agua (3400, 1640) no se pueden restar
- Los cambios de temperatura afectan la absorción del agua, dejando residuos después de la resta
- Las interacciones soluto-agua (puentes de hidrógeno) alteran la forma del pico del agua, la resta es imprecisa
3.3 "Zonas prohibidas" para muestras acuosas
Zonas absolutamente prohibidas [1][5][7][8]:
- 3300–3500 cm⁻¹: completamente enmascarado por O-H del agua, no se ven N-H de alcoholes/ácidos/amidas
- 1620–1660 cm⁻¹: enmascarado por flexión H-O-H del agua, no se ve banda amida I
- Por debajo de 550 cm⁻¹: picos rotacionales del agua
Regiones aún observables [1][8]:
- 2800–3000 cm⁻¹: estiramiento C-H
- 1700–1800 cm⁻¹: estiramiento C=O (si no está cerca de 1640)
- 1000–1500 cm⁻¹: C-O, C-N, etc.
- 800–1000 cm⁻¹: deformación fuera del plano de CH aromático
3.4 Métodos alternativos para muestras acuosas
① Secar y luego medir [3][5]
- Liofilización, secado al vacío para eliminar agua
- Medir muestra sólida (pastilla de KBr o ATR)
- Nota: el secado puede alterar el estado de la muestra (ej. desnaturalización de proteínas)
② Extracción [3]
- Extraer el soluto de la solución acuosa con un solvente orgánico
- Medir la fase orgánica (evitando el pico del agua)
- Nota: la eficiencia de extracción afecta la cuantificación
③ Reemplazo del solvente [3][8]
- Usar D₂O en lugar de H₂O
- El estiramiento O-D del D₂O está en 2500 cm⁻¹ (evita 3400)
- Método común para estudios de estructura secundaria de proteínas
IV. Errores comunes en la preparación de muestras ATR
Aunque el ATR "no requiere preparación de muestra", aún hay trampas que pueden degradar la calidad del espectro [3][9][10].
4.1 Mal contacto
Síntoma: Señal de espectro completo extremadamente débil (< 0.1), SNR muy pobre [3][9]
Causa:
- Partículas de muestra demasiado gruesas (> 10 μm), área de contacto pequeña con la cara del cristal
- Forma irregular de la muestra (como partículas esféricas), solo contacto puntual
- Presión insuficiente (resorte no apretado)
Solución [3][9]:
- Moler la muestra en polvo hasta < 5 μm
- Cortar una superficie plana para muestras en bloque
- Apretar completamente el tornillo de presión (ATR manual) o confirmar la presión neumática adecuada (ATR automático)
4.2 Contaminación del cristal
Síntoma: Picos espurios después de la sustracción de fondo, mala reproducibilidad [3][9][10]
Causa:
- Muestra anterior no limpiada adecuadamente
- Huellas dactilares, grasa en la superficie del cristal
Solución [3][9][10]:
- Limpiar el cristal 2–3 veces con etanol o isopropanol entre mediciones
- Confirmar que el cristal esté limpio antes de adquirir el fondo (espectro de fondo sin picos espurios)
- Limpiar diferentes muestras con algodón separado
4.3 Exceso de muestra
Síntoma: Espectro ATR normal pero desperdicio de muestra [3]
Causa: Cuando la muestra se acumula demasiado espesa, el campo evanescente decae exponencialmente con la profundidad, más allá del orden de la profundidad de penetración efectiva (normalmente unos pocos micrómetros, que varía con la longitud de onda/cristal/ángulo), la contribución de las capas profundas se debilita rápidamente, pero no significa estrictamente "sin señal"; la longitud de paso efectiva $d_e$ y la profundidad de penetración $d_p$ tampoco son equivalentes.
Solución: 1–5 mg de polvo o 1–2 gotas de líquido son suficientes
4.4 Medición inadecuada de líquidos volátiles
Síntoma: El espectro cambia continuamente durante la medición [3][9]
Causa: Evaporación del líquido, cambio de concentración
Solución [3][9]:
- Tapar (algunas configuraciones ATR)
- Medición rápida (< 30 s)
- Diluir con solvente de baja volatilidad
Cinco, Colección de 10 casos típicos de espectros erróneos comunes
A continuación se enumeran los 10 errores más comunes para principiantes, cada uno acompañado de un diagrama de espectro erróneo, análisis de causa y solución [1][3][5][9].
Caso 1: KBr insuficientemente seco → Picos fantasma a 3400/1640
Absorbancia
↑
1.0│ ▓▓▓
0.8│ ▓▓▓ ▓▓
0.6│ ▓▓▓ ▓▓
0.4│ ▓▓ ▓▓▓ ▓▓▓▓ ▓▓ ▓▓▓▓▓
0.2│ ▓▓ ▓▓▓ ▓▓▓▓ ▓▓ ▓▓▓▓▓
0.0│────────────────────────────→ ν
3000 3400 1640 1000 500
↑ ↑
Pico fantasma O-H Pico fantasma H₂O
Causa: KBr insuficientemente secado o alta humedad en el entorno de operación [1][5]
Solución: Secar KBr al vacío a 150°C durante la noche; humedad de operación < 30% HR; restar fondo de pastilla de KBr en blanco
Caso 2: Demasiada muestra → Pico plano (flat-top)
Absorbancia
↑
2.5│ ███ ← Pico fuerte "truncado" en A=2
2.0├───────███────────────── ← Límite del instrumento
1.5│ ███
1.0│ ▓▓ ███ ▓▓▓▓ ▓▓ ▓▓▓
0.5│ ▓▓ ███ ▓▓▓▓ ▓▓ ▓▓▓
0.0│────────────────────────────→ ν
↑
C=O flat-top (distorsión cuantitativa)
Causa: Concentración de muestra demasiado alta (por ejemplo, 1:10 en lugar de 1:100) [1][3]
Solución: Diluir la muestra, ajustar a 1:100–1:200; para muestras de fuerte absorción, 1:500
Caso 3: Muy poca muestra → SNR pobre
Absorbancia
↑
0.5│ ·· ·· ··· ·· ··· ·· ← Ruido alto
0.3│ ·· ·· ··· ·· ··· ··
0.1│ ·· ·· ··· ·· ··· ··
0.0│────────────────────────────→ ν
↑
Pico débil sumergido en ruido, no identificable
Causa: Concentración de muestra demasiado baja (por ejemplo, 1:1000) [1][3]
Solución: Aumentar la proporción de muestra a 1:50–1:100; aumentar el número de barridos (16 → 64)
Caso 4: Molienda insuficiente → Línea base inclinada, dispersión
Absorbancia
↑
1.5│ ▓▓▓ ▓▓▓▓▓ ← Línea base alta en bajo número de onda, baja en alto número de onda
1.0│ ▓▓▓ ▓▓▓▓▓
0.5│ ▓▓▓ ▓▓▓▓▓ ▓▓▓▓▓
0.0│────────────────────────────→ ν
3000 1000 500
←─────Inclinación─────
Causa: Partículas > 5 μm, dispersión Rayleigh $I \propto d^3/\lambda^4$ [1][6]
Solución: Moler en mortero de ágata durante 5–10 minutos; el polvo debe verse "tan fino como harina"
Caso 5: Pastilla no transparente → Espectro completo distorsionado
Síntoma: Pastilla de apariencia lechosa, línea base del espectro alta (absorbancia > 1.5), sin picos claros
Causa [3][4]:
- Molienda insuficiente, partículas grandes
- Presión insuficiente
- Pastilla rota o con grietas
Solución: Remoler; aumentar presión a 10 ton; revisar el molde
Caso 6: Mal contacto en ATR → Señal extremadamente débil
Absorbancia
↑
0.3│ ·························· ← Espectro completo < 0.3
0.2│ ·· ·· ··· ·· ··· ··
0.1│ ·· ·· ··· ·· ··· ··
0.0│────────────────────────────→ ν
← Señal demasiado débil, casi solo ruido
Causa [3][9]:
- Partículas de muestra demasiado gruesas
- Presión no aplicada suficientemente
- Forma irregular de la muestra
Solución: Moler el polvo; cortar una superficie plana; confirmar que la presión esté aplicada
Caso 7: Longitud de paso en celda de líquido demasiado larga → Flat-top del solvente
Síntoma: Pico del solvente (por ejemplo, C-H del etanol a 2900) flat-top > 2, pico del soluto enmascarado
Causa: Elección incorrecta de la longitud de paso (por ejemplo, líquido puro usando 1 mm) [1][7]
Solución: Cambiar a celda de líquido de paso corto (0.025–0.1 mm)
Caso 8: Burbujas en la celda de líquido → Cambio abrupto en el espectro
Síntoma: Aparecen "depresiones" anormales o aumento repentino de ruido en partes del espectro
Causa: Entrada de burbujas de aire durante la inyección de la muestra, bloqueo del camino óptico [3][7]
Solución: Reinyectar la muestra lentamente; verificar si hay burbujas en la celda
Caso 9: Adquisición incorrecta de fondo → Deriva en todo el espectro
Síntoma: Al medir una pastilla de KBr pura (blanco), la absorbancia no es cero
Causa [1][3]:
- Cambios en el entorno después de adquirir el fondo (por ejemplo, temperatura, humedad)
- No dejar el camino óptico vacío al adquirir el fondo (por ejemplo, no retirar la muestra)
- Adquirir fondo sin que el instrumento se haya estabilizado
Solución: Dejar que el instrumento se estabilice durante 30 minutos antes de adquirir el fondo; adquirir fondo nuevamente antes de cada medición
Caso 10: Interferencia de CO₂ → Doblete a 2350
Absorbancia
↑
0.5│ ▓▓ ← CO₂ estiramiento antisimétrico
0.4│ ▓▓ ← 2349 cm⁻¹
0.3│ ▓▓
0.2│ ▓▓ ← CO₂ combinación de flexión
0.1│ ▓▓ ← Doblete cerca de 2360
0.0│────────────────────────────→ ν
2350
Causa: Variación en la concentración de CO₂ en el camino óptico, inconsistencia entre la adquisición de fondo y muestra [1][3]
Solución: Purgar el instrumento durante 10–15 minutos; intervalo entre fondo y muestra < 1 minuto; sellar el compartimento de muestra
Seis, Comparación de espectros erróneos vs correctos
Caso A: Pastilla de KBr
| Elemento | Espectro erróneo | Espectro correcto |
|---|---|---|
| Muestra:KBr | 1:10 | 1:100 |
| KBr seco | No seco | 150°C al vacío toda la noche |
| Molienda | 30 segundos | 5 minutos |
| 3400 cm⁻¹ | Pico fuerte (agua) | Casi sin pico |
| 1640 cm⁻¹ | Pico medio (agua) | Casi sin pico |
| Forma del pico principal | Plano | Campana normal |
| Línea base | Inclinada | Plana |
| SNR | Malo | Bueno |
Caso B: Medición en celda líquida
| Elemento | Espectro incorrecto | Espectro correcto |
|---|---|---|
| Camino óptico | 0.5 mm | 0.05 mm |
| Ventana | KBr (muestra acuosa) | CaF₂ |
| Pico del disolvente | Plano | Normal |
| Pico del soluto | Enmascarado | Claro |
| Burbujas | Sí | No |
7. Lista de verificación: lo que debe comprobar antes de medir
Antes de cada medición, revise la siguiente "lista de verificación" [1][3][5][9]:
7.1 Estado del instrumento
- [ ] El instrumento se ha encendido ≥ 30 minutos, fuente estable
- [ ] Desecante efectivo (gel de sílice no rosado)
- [ ] Purga del instrumento ≥ 15 minutos (si se requiere eliminar CO₂ y vapor de agua)
- [ ] Detector precooled (detector MCT requiere nitrógeno líquido)
7.2 Preparación de la muestra
- [ ] KBr secado al vacío a 150°C durante la noche
- [ ] Muestra molida a < 2 μm ("como harina")
- [ ] Proporción muestra:KBr = 1:100–1:200
- [ ] Pastilla transparente, sin grietas, espesor uniforme (0.5–1 mm)
- [ ] Camino óptico de celda adecuado (evitar pico plano)
- [ ] Material de la ventana de celda compatible con la muestra (acuosa usar CaF₂)
7.3 Medición ATR
- [ ] Cristal limpiado con etanol 2–3 veces
- [ ] Cristal limpio antes de la adquisición de fondo (sin picos extraños)
- [ ] Cantidad de muestra adecuada (1–5 mg o 1–2 gotas)
- [ ] Presión aplicada (apretado manual / neumático)
- [ ] Muestra cubre completamente el centro del cristal
7.4 Adquisición de fondo
- [ ] Condiciones de fondo iguales a las de la muestra (temperatura, humedad)
- [ ] Camino óptico vacío (transmisión) o cristal limpio (ATR) para fondo
- [ ] Espectro de fondo sin doblete de CO₂ (2350), sin picos fantasma de agua (3400, 1640)
- [ ] Intervalo entre fondo y muestra < 5 minutos
7.5 Adquisición de datos
- [ ] Parámetros razonables (resolución 4 cm⁻¹, escaneos 16–64)
- [ ] Rango espectral cubierto (4000–400 cm⁻¹)
- [ ] Pico más fuerte del espectro de muestra < 1.5 (evitar pico plano)
- [ ] SNR > 1000:1 (pico objetivo más débil identificable)
💡 Consejo profesional: Antes de comenzar un lote de muestras, mida primero una "muestra de control de calidad" (como una película de poliestireno) para confirmar que el instrumento está en buen estado, luego comience a medir muestras desconocidas [3][10].
8. Requisitos especiales para la preparación de muestras cuantitativas
Si se va a realizar un análisis cuantitativo (como determinación de contenido), los requisitos de preparación son más estrictos [1][3][11]:
8.1 Cuantitativo en pastilla de KBr
- Método de estándar interno: Añadir una cantidad conocida de estándar interno (como KSCN a 2050 cm⁻¹) para eliminar errores de espesor de la pastilla
- Método gravimétrico: Pesar exactamente la muestra (precisión 0.01 mg) y KBr (precisión 0.1 mg)
- Método de área de pico: Usar área de pico en lugar de altura, para reducir el efecto del tamaño de partícula
- Réplicas múltiples: Al menos 3 pastillas por muestra, tomar el promedio
8.2 Cuantitativo en celda líquida
- Medición precisa del camino óptico: Medir el camino óptico real mediante el método de franjas de interferencia [1]
- Temperatura constante: La temperatura afecta la densidad y, por tanto, la concentración
- Múltiples inyecciones: Al menos 3 réplicas, RSD < 2%
8.3 Cuantitativo por ATR
- Presión constante: Presión neumática o presión de resorte de fuerza fija
- Temperatura del cristal constante: Evitar que la expansión térmica afecte el camino óptico
- Cantidad de muestra consistente: Misma cantidad cada vez (ej. 2 mg)
- Método de intensidad relativa: Usar relación de alturas o áreas de pico, evitando la influencia del camino óptico absoluto
⚠️ Regla de oro del análisis cuantitativo: Todas las condiciones deben ser reproducibles. Cualquier factor incontrolable (como la fuerza manual al prensar) introduce errores [1][11].
9. Lista de herramientas y consumibles para preparación de muestras
9.1 Herramientas básicas
- Mortero de ágata (diámetro 50–75 mm)
- Espátula de acero inoxidable
- Balanza analítica (precisión 0.01 mg)
- Prensa de pastillas (10–15 ton)
- Molde de pastilla de KBr (13 mm, 7 mm)
- Bomba de vacío (conectada al molde para vacío)
9.2 Consumibles para celda líquida
- Celda líquida desmontable + espaciadores de diferentes espesores (25, 50, 100, 200, 500 μm)
- Celda líquida fija (camino óptico 0.1, 0.5, 1 mm)
- Jeringa (1 mL, de un solo uso)
- Papel de lente, algodón desengrasado
- Disolventes (etanol, cloroformo, acetona, acetato de etilo)
9.3 Consumibles para ATR
- Algodón desengrasado o papel libre de polvo
- Isopropanol, etanol (limpieza del cristal)
- Espátula de muestra (teflón o madera, para evitar rayar el cristal)
9.4 Consumibles para secado
- Desecador (con gel de sílice o P₂O₅)
- Estufa de vacío (105°C + vacío)
- Desecantes: gel de sílice, P₂O₅, CaCl₂
10. Evaluación objetiva de la calidad de la preparación de muestras
10.1 Indicadores de calidad del espectro
Un buen espectro infrarrojo debe cumplir [1][3]:
| Indicador | Requisito | Método de verificación |
|---|---|---|
| Absorbancia del pico principal | 0.3–1.5 | Mirar el pico más alto del espectro |
| SNR | > 1000:1 | Medir el ruido en una región sin picos |
| Inclinación de la línea base | < 0.1 (número de onda alto vs bajo) | Comparar línea base a 4000 y 400 cm⁻¹ |
| Interferencia de CO₂ | < 0.05 | Altura del doblete a 2350 cm⁻¹ |
| Interferencia de vapor de agua | < 0.05 | Altura de picos fantasma a 3400/1640 |
| Precisión de la posición del pico | ±1 cm⁻¹ | Calibrar con película de poliestireno |
Tabla 4: Indicadores objetivos de calidad del espectro (compilado de [1][3])
10.2 Proceso de evaluación de calidad
Adquirir espectro → Verificar pico principal → Verificar SNR → Verificar línea base → Verificar agua/CO₂ → Evaluar
↓ ↓ ↓ ↓ ↓ ↓
1-2 min 0.3-1.5? >1000:1? <0.1? <0.05? ¿Aprobado?
Si algún indicador no cumple, analizar la causa y volver a preparar la muestra [1][3].
Figuras (esquemas clave de esta entrega)
📷 Fig. 3: Esquema de muestreo por onda evanescente en ATR
Fuente: Imagen real/abierta · Project demo — real sample photo (marca de agua ftir.fun)
📷 Fig. 4: Concepto de preparación de muestra por transmisión
Fuente: Diagrama educativo de ftir.fun (con marca de agua; no es espectro real, solo para entender concepto)
📷 Fig. 5: Flujo principal de operación del instrumento
Fuente: Diagrama educativo de ftir.fun (con marca de agua; no es espectro real, solo para entender concepto)
Resumen de esta entrega
| Punto de conocimiento clave | Aspectos clave |
|---|---|
| Secado de KBr | 150°C al vacío toda la noche, conservar en desecador |
| Proporción muestra:KBr | 1:100–1:200 (absorción fuerte 1:500, débil 1:50) |
| Tamaño de molienda | < 2 μm, dispersión $I \propto d^3/\lambda^4$ |
| Requisitos de la pastilla | Transparente, sin grietas, espesor 0.5–1 mm |
| Camino óptico de celda líquida | Líquido puro 0.025–0.1 mm; solución diluida 0.5–1 mm |
| Ventana para muestras acuosas | CaF₂, BaF₂, ZnSe; no usar KBr/NaCl |
| Estrategia para muestras acuosas | ATR preferido; CaF₂ de camino corto; D₂O como alternativa |
| Posición del pico de agua | 3400 (O-H), 1640 (H-O-H), 550–700 (flexión) |
| Contacto ATR | Molienda, alisado, presión, tres elementos |
| 10 errores principales | KBr húmedo, demasiada/poca muestra, mala molienda, mal contacto ATR, etc. |
| Lista de verificación | Instrumento, muestra, ATR, fondo, adquisición: 5 categorías |
| Requisitos cuantitativos | Precisión de camino óptico, condiciones repetibles, múltiples réplicas |
Preguntas de reflexión
El principiante Xiao Ming realizó su primera pastilla de KBr y el espectro mostró un pico ancho grande a 3400 cm⁻¹. Enumere 3 posibles causas y explique cómo confirmar cuál es la causa.
Necesita determinar el contenido de etanol en una solución acuosa de etanol al 5%. Diseñe un plan de preparación de muestras y explique por qué no se usa el método de pastilla de KBr.
Al medir una muestra en polvo con ATR, el espectro completo tiene una señal muy débil (< 0.2) y poca repetitividad. Analice las posibles causas y proporcione los pasos de verificación.
Al hacer una pastilla, la pastilla de KBr resulta opaca de color blanco lechoso y la línea base del espectro está muy inclinada. ¿Cuál es el problema? ¿Cómo solucionarlo?
Una muestra líquida se mide en una celda de 0.5 mm y se observa que el pico C=O a 1700 cm⁻¹ está aplanado (flat-top). Realice un análisis cuantitativo: si la muestra es una solución de acetona al 5% en CCl₄ ($\varepsilon_{C=O}$ ≈ 500 L·mol⁻¹·cm⁻¹), ¿qué espesor de celda en mm debería usarse?
Referencias
[1] Griffiths P R, de Haseth J A. Fourier Transform Infrared Spectrometry. 2nd ed. Wiley, 2007. Chapter 11–13. ISBN: 978-0-471-19404-0.
[2] Socrates G. Infrared and Raman Characteristic Group Frequencies. 3rd ed. Wiley, 2001. ISBN: 978-0470093078.
[3] Coates J. "Interpretation of Infrared Spectra, A Practical Approach." In: Encyclopedia of Analytical Chemistry, Meyers R A (Ed.). John Wiley & Sons, 2006. DOI:10.1002/9780470027318.a5607.
[4] Stimson M M, O'Donnell J F. "The Infrared Spectra of Some Solid Biological Compounds Using Potassium Bromide." Journal of the American Chemical Society, 1952, 74(7): 1805–1808. DOI:10.1021/ja01127a504.
[5] Smith B C. Fundamentals of Fourier Transform Infrared Spectroscopy. 2nd ed. CRC Press, 2011. Chapter 4. ISBN: 978-1420069297.
[6] Bohren C F, Huffman D R. Absorption and Scattering of Light by Small Particles. Wiley, 1998. Chapter 3. ISBN: 978-0471293408.
[7] Thermo Fisher Scientific. "Infrared Liquid Cells Selection Guide." Application Note AN-011.
https://www.thermofisher.com/…
[8] Max J J, Chapados C. "Infrared Spectroscopy of Aqueous Solutions: Influence of Water and Solute Concentration." Journal of Chemical Physics, 2009, 131(18): 184505. DOI:10.1063/1.3258320.
[9] Harrick Scientific. "ATR Sampling Techniques." Application Notes.
https://harricksci.com/applic…
[10] Bruker. "Sample Preparation for Infrared Spectroscopy." Technical Note.
https://www.bruker.com/en/pro…
[11] Comisión de Farmacopea de la República Popular China. Farmacopea de la República Popular China Edición 2020, Parte IV, Regla General 0402, Espectrofotometría Infrarroja. Editorial China de Ciencia y Tecnología Médica.
[12] ftir.fun. "Grupo funcional infrarrojo de la molécula de agua."
https://ftir.fun/ir/group/wat…
Avance del próximo episodio: Ep 17 — Procedimiento básico de operación del instrumento (FTIR general)
Comenzaremos desde el encendido, purga, estabilización, adquisición de fondo, y explicaremos sistemáticamente el procedimiento básico de operación del instrumento FTIR. Incluyendo ajuste de parámetros (resolución, número de escaneos, rango espectral), formatos de archivo de datos (SPA, OPUS, SP, JCAMP-DX), apagado y mantenimiento diario, con ejemplos de Thermo Nicolet y Bruker Tensor.
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