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  • 1. ANÁLISIS INSTRUMENTAL Presentado por: GERMÁN ANTONIO ARBOLEDA MUÑOZ ALEJANDRO BUSTAMANTE MURIEL NATALIA MARCELA FERNÁNDEZ CRUZ MARIA PAULA FIERRO CADENA YERALDIN LUCIO IDROBO Presentado a: Mag. JULIE QUINTERO UNIVERSIDAD DEL CAUCA FACULTAD DE CIENCIAS AGROPECUARIAS INGENIERIA AGROINDUSTRIAL POPAYAN 2011
  • 2. Análisis Instrumental TABLA DE CONTENIDO Pág. OBJETIVOS INTRODUCCIÓN MARCO CONCEPTUAL 1. ESPECTROFOTOMETRIA 1.1 FUNDAMENTO 1.2 EQUIPO: ESPECTROFOTÓMETRO 1.3 PRINCIPIO FISICO 1.4 RESULTADOS 1.5 APLICACIONES 1.6 APLICACIONES AGROINDUSTRIALES 2. ESPECTROMETRÍA DE ULTRAVIOLETA-VISIBLE 2.1. FUNDAMENTO 2.2. EQUIPO: ESPECTRÓMETRO DE UV-VISBLE 2.3. PRINCIPIO FISICO 2.3.1 Electrones π, σ y η 2.3.1.1 Transiciones σ σ* 2.3.1.2 Transiciones ησ* 2.3.1.3 Transiciones ηπ* y ππ* 2.4. RESULTADOS 2.5. APLICACIONES 2.6. APLICACIONES AGROINDUSTRIALES 3. ESPECTROMETRÍA DE INFRARROJO 3.1. FUNDAMENTO 3.2. EQUIPO: ESPECTRÓMETRO DE ABSORCION EN EL INFRARROJO 3.3. PRINCIPIO FISICO 3.3.1 Fuente de Radiación 3.3.2 Sistemas de selección de longitudes de onda 3.3.3 Compartimiento de la muestra 3.3.4 Detector 3.4. RESULTADOS 3.5. APLICACIONES 3.6. APLICACIONES AGROINDUSTRIALES 4. ESPECTROMETRIA DE MASAS 4.1. FUNDAMENTO 4.2. EQUIPO: ESPECTRÓMETRO DE MASAS 4.2.1 Sistema de entrada de muestras 4.2.2 Cámara de Ionización 4.2.3 Acelerador 4.2.4 Analizadores 4.2.5 Detector 4.3. PRINCIPIO FISICO 4.4. RESULTADOS 5 6 7 10 10 12 12 12 12 13 14 14 15 16 17 17 17 17 19 19 19 21 21 22 23 23 23 23 23 23 24 25 26 26 27 27 27 27 27 28 28 29 2
  • 3. Análisis Instrumental 5. 6. 7. 8. 9. 4.5. APLICACIONES 4.5.1 Aplicaciones cualitativas 4.5.2 Aplicaciones cuantitativas 4.6. APLICACIONES AGROINDUSTRIALES ESPECTROMETRIA DE ABSORCIÓN ATÓMICA 5.1. FUNDAMENTO 5.2. EQUIPO: ESPECTRÓMETRO DE ABSORCIÓN ATÓMICA 5.3. PRINCIPIO FISICO 5.4. RESULTADOS 5.5. APLICACIONES 5.6. APLICACIONES AGROINDUSTRIALES PLASMA ACOPLADO POR INDUCCIÓN 6.1. FUNDAMENTO 6.2. EQUIPO: ESPECTRÓMETRO DE EMISIÓN 6.3. PRINCIPIO FISICO 6.4. RESULTADOS 6.5. APLICACIONES 6.6. APLICACIONES AGROINDUSTRIALES RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR 7.1. FUNDAMENTO 7.2. EQUIPO: ESPECTRÓMETRO DE RMN 7.3. PRINCIPIO FISICO 7.4. RESULTADOS 7.4.1 Espectros de líneas anchas 7.4.2 Espectros de alta resolución 7.4.3 Espectros de 13C del adamantano cristalino 7.5. APLICACIONES 7.5.1 Identificación de Compuestos 7.5.2 Análisis cuantitativo de RMN 7.5.2.1 Análisis cuantitativo de grupos funcionales 7.5.2.2 Análisis elemental 7.6. APLICACIONES AGROINDUSTRIALES CROMATOGRAFÍA DE CAPA FINA 8.1. FUNDAMENTO 8.1.1 Preparación de placas de capa fina 8.1.2 Desarrollo cromatográfico 8.2. EQUIPO: CROMATÓGRAFO EN CAPA FINA 8.3. PRINCIPIO FISICO 8.4. RESULTADOS 8.5. APLICACIONES 8.5.1 Detección cualitativa rápida deanalitos 8.5.2 Determinación semicuantitativadeanalitos 8.5.3 Aislamiento y purificación parcial deanalitos de una muestra 8.6. APLICACIONES AGROINDUSTRIALES CROMATOGRAFÍA LIQUIDA DE ALTA RESOLUCIÓN 9.1. FUNDAMENTO DE LA TECNICA 9.2. EQUIPO: CROMATÓGRAFO HPLC 9.3. PRINCIPIO FISICO 30 30 31 32 33 33 34 34 35 35 36 37 37 37 39 40 41 41 42 42 43 44 45 45 45 46 46 47 47 47 47 48 49 49 49 49 51 51 53 54 54 54 55 55 56 56 57 57 3
  • 4. Análisis Instrumental 9.3.1Cromatografía de fase Normal 9.3.2Cromatografía de fase inversa 9.3.3 Cromatografía de exclusión por tamaño 9.3.4Cromatografía de Intercambio Iónico 9.3.5 Cromatografía de bioafinidad 9.4. RESULTADOS 9.5. APLICACIONES 9.6. APLICACIONES AGROINDUSTRIALES 9.6.1 Conservantes antioxidantes 9.6.2 Análisis de carbohidratos en bebidas 9.6.3 Isómeros de Carotenoides 9.6.4 Flavonoides y Fenoles 9.6.5 Lípidos 9.6.6 Acidoslipoico y ácido dihidrolipoico en suplementos alimenticios 9.6.7 Medición de nutrientes liposolubles en tabletas multivitamínicas 9.6.8 4-Hidroxinonenal y otros aldehídos 9.6.9 Surfactantes no iónicos 9.6.10 Carbohidratos simples 9.6.11Contaminantes triptófanos 10. CROMATOGRAFIA DE GASES 10.1 FUNDAMENTO 10.2 EQUIPO: CROMATOGRAFO DE GASES 10.3 PRINCIPIO FISICO 10.4 RESULTADOS 10.5 APLICACIONES 10.6 APLICACIONES AGROINDUSTRIALES 11. CROMATOGRAFIA IONICA 11.1 FUNDAMENTO DE LA TECNICA 11.2 EQUIPO: CROMATOGRAFO IONICO 11.3 PRINCIPIO FISICO 11.3.1 Resinas de Intercambio Iónico 11.4 RESULTADOS 11.4.1 Preparación de la muestra 11.4.2 Costos 11.5 APLICACIONES 11.5.1 Desionización 11.6 APLICACIONES AGROINDUSTRIALES 11.6.1 Tratamiento de Aguas duras 11.6.1.1 Principio 11.6.1.2 Funcionamiento 11.3.1.3 Dibujo esquemático del principio CONCLUSIONES BIBLIOGRAFÍA 57 58 58 58 59 59 59 60 60 60 61 61 61 61 61 61 61 61 61 62 62 62 63 63 63 63 65 65 66 66 66 68 68 69 69 69 69 70 70 70 71 72 73 4
  • 5. Análisis Instrumental OBJETIVOS OBJETIVO GENERAL Determinar los aspectos más importantes y sobresalientes de algunos de los métodos de análisis instrumental. OBJETIVOS ESPECIFICOS Analizar de forma clara y puntual, los aspectos más relevantes de distintas técnicas de análisis instrumental. Interpretar diferencias y similitudes entre las técnicas de análisis instrumental. Deducir las principales aplicaciones de las técnicas al campo científico, en especial en el campo agroindustrial. 5
  • 6. Análisis Instrumental INTRODUCCIÓN La obtención de información tanto cuantitativa como cualitativa acerca de la composición y estructura de la materia, es una de las necesidades más urgentes de Ingenieros y Científicos vinculados al campo de las ciencias exactas como la Química, Biología o Física. Para esto han sido creadas una serie de herramientas para suplir estos requerimientos. Estos instrumentos han conseguido ser cada vez más avanzados y proporcionar información mucho más confiable, además de facilitar el trabajo para el analizador y brindar mayor credibilidad en sus resultados. El desarrollo de estos métodos instrumentales de análisis ha venido de la mano de la revolución tecnológica producida por el auge de grandes empresas tanto industriales como informáticas, que han permitido mejorar aún mucho más todas las técnicas instrumentales. Aunque muchos de los principios en los que se basan se conocían desde hacemucho tiempo, no se contaba con la suficiente instrumentación e información para desarrollarlas. Estas técnicas presentan grandes ventajas, muestra de ello es el campo de acción tan grande que tienen, abarcando desde las Ciencias tanto Exactas como de la Salud, pasando por las Ingenierías vinculadas al estudio de materia orgánica, llegando incluso hasta gran parte del Campo Industrial, destacándose entre este la industria farmacéutica y la de alimentos. Siendo estudiantes de Ingeniería Agroindustrial, el conocimiento de estas herramientas se hace necesario no solo como parte de la formación sino además como parte de la vida profesional, donde se ve enfrentado a diversos problemas analíticos, para los cuales se debe tener los mejores criterios para desarrollarlos con satisfacción. Debido a que muchos analitos pueden ser determinados por diferentes técnicas, para hacer de su uso algo correcto y pertinente se requiere de la clara comprensión del principio básico de cada una de estas. Esto con el fin de tener el mejor criterio para hacer la elección del método a utilizar, teniendo en cuenta cual brinda la mayor exactitud y precisión, así como cual podría brindar menos limitaciones para el análisis. Es por estas razones, que se ha realizado la presente investigación, basándose principalmente en bibliografía acerca de análisis instrumental. Claro está que aunque no se pretende profundizar los aspectos relacionados con cada técnica, si es importante ser muy puntual en los aspectos más importantes de cada una teniendo en cuenta su fundamento y sus aplicaciones que pueda tener para el campo científico en general y en especial en el campo agroindustrial, que nos concierne.1 1 Autores 6
  • 7. Análisis Instrumental MARCO CONCEPTUAL Absorbancia: es la cantidad de intensidad de luz que absorbe una muestra Absorción: de la radiación electromagnética es el proceso por el cual dicha radiación es captada por la materia. Cuando la absorción se produce dentro del rango de la luz visible, recibe el nombre de absorción óptica. Esta radiación, al ser absorbida, puede, bien ser reemitida o bien transformarse en otro tipo de energía, como calor o energía eléctrica. Adsorción: La adsorción de una sustancia es su acumulación en una determinada superficie interfacial entre dos fases. El resultado es la formación de una película líquida o gaseosa en la superficie de un cuerpo sólido o líquido. Anisotropía: (opuesta de isotropía) es la propiedad general de la materia según la cual determinadas propiedades físicas, tales como: elasticidad, temperatura, conductividad, velocidad de propagación de la luz, etc. varían según la dirección en que son examinadas. Atomización:Pulverización de líquidos Calor de radiación: Energía calorífica que se transmite por la radiación de ondas electromagnéticas. También llamado calor radiante. Coeficiente de reparto:se define como la relación de las concentraciones en equilibrio (ci) de una sustancia disuelta en un sistema bifásico consistente en dos disolventes considerablemente inmiscibles. Desorción: es el fenómeno por el que una sustancia esté lanzada o a través de una superficie. Proceso es el contrario de absorción (es decir, adsorción y absorción). Esto ocurre en un sistema que está en el estado del equilibrio de la absorción entre la fase a granel (líquido, es decir. solución del gas o del líquido) y una superficie adsorbente (sólido o límite que separa dos líquidos). Efectividad o selectividad de una columna cromatográfica: Se dice que una columna es efectiva cuando las especies a separar se eluyen a velocidades relativas suficientemente diferentes (los picos están suficientemente separados). Eficacia de una columna cromatográfica: Se dice que una columna es tanto más eficaz cuanto menos sea el ensanchamiento de los picos. La eficacia será mayor cuanta más pequeña sea la altura de plato y mayor sea el número de platos. Elución:Es un proceso en el cual los solutos son lavados a través de una fase estacionaria por el movimiento de una fase móvil. Eluyente: Se trata de un disolvente que se usa para llevar los componentes de una mezcla a través de una fase estacionaria. 7
  • 8. Análisis Instrumental Espectro:Es la imagen o registro gráfico que presenta un sistema físico al ser excitado y posteriormente analizado Espectro electromagnético: electromagnéticas. distribución energética del conjunto de las ondas Espín: se refiere a una propiedad física de las partículas subatómicas, por la cual toda partícula elemental tiene un momento angular intrínseco de valor fijo. Factor de retención (k’): también conocida como la relación de capacidad, representa la relación de tiempo que el soluto pasa en la fase estacionaria con respecto al que pasa en la fase móvil. Fase móvil: consiste en un fluido (gas, líquido o fluido supercrítico) que arrastra a la muestra a través de una fase estacionaria que se trata de un sólido o un líquido fijado en un sólido Flama: Se llama flama a la reacción química de oxidación violenta de una materia combustible, con desprendimiento de llamas, calor, vapor de agua y dióxido de carbono.} Frecuencia:Es una magnitud que mide el número de repeticiones por unidad de tiempo de cualquier fenómeno o suceso periódico. Ionización: es el proceso químico o físico mediante el cual se producen iones, estos son átomos o moléculas cargadas eléctricamente debido al exceso o falta de electrones respecto a un átomo o molécula neutra. Isoterma: Laisoterma es una curva que une los puntos, en un plano cartográfico, que presentan las mismas temperaturas en la unidad de tiempo considerada. Isótopos: diferentes tipos de átomos de un mismo elemento cuyos núcleos difieren en su número de neutrones. Ley de beer: La ley de Beer-Lambert relaciona la intensidad de luz entrante en un medio con la intensidad saliente después de que en dicho medio se produzca absorción. Longitud de onda: La longitud de una onda es la distancia que recorre la onda en el intervalo de tiempo transcurrido entre dos máximos consecutivos. Por ejemplo, la distancia recorrida por la luz azul (que viaja a 299.792.458 m/s) durante el tiempo transcurrido entre dos máximos consecutivos de su campo eléctrico (o magnético) es la longitud de onda de esa luz azul. Momento magnético: El momento magnético de espín es una propiedad intrínseca o fundamental de las partículas, como la masa o la carga eléctrica. Este momento está relacionado con el hecho de que las partículas elementales tienen momento angular intrínseco o espín, para partículas cargadas eso lleva inevitablemente a que se comporten de modo similar a un pequeño circuito con cargas en movimiento. Mufla:Es una especie de horno, con el cual se alcanzan muy elevadas temperaturas. Se usa generalmente para carbonizar completamente sustancias orgánicas 8
  • 9. Análisis Instrumental Nebulizador: Un nebulizador es un aparato eléctrico que transforma a los líquidos en un vapor fino o rocío. Planímetro:El planímetro es un aparato de medición utilizado para el cálculo de áreas irregulares. Este modelo se obtiene en base la teoría de integrales de línea o de recorrido. Reflectancia:Cantidad de energía que es reflejada por un objeto luego de que esta incide sobre él. Resolución de espectrómetros: la capacidad de un espectrómetro de masas de distinguir entre masas se expresa normalmente en términos de su resolución. Resolución de una columna: Parámetro que proporciona una medida cuantitativa de su capacidad para separar dos solutos. Debe ser mayor a 1,5 para que se considere buena. Tiempo Muerto: (TM) Es el tiempo que tarda en salir de la columna una sustancia no retenida. Tiempo de Retención: (TR) Es el tiempo entre la inyección de una muestra y la aparición de un pico de soluto en el detector de una columna cromatográfica. Transmitancia: La transmitancia o transmitencia es una magnitud que expresa la cantidad de energía que atraviesa un cuerpo en la unidad de tiempo (potencia). Transición:Una transición es la acción y efecto de pasar de un modo de ser o estar, a otro muy distinto del anterior. Representa un cambio de un estado a otro. Volatilización:Es el proceso que consiste en el cambio de estado de la materia sólida al estado gaseoso sin pasar por el estado líquido 9
  • 10. Análisis Instrumental 1. ESPECTROFOTOMETRIA La espectrofotometría se refiere a los métodos cuantitativos de análisis químico que utilizan la luz para medir la concentración de las sustancias químicas. Se conocen como métodos espectrofotométricos y según sea la radiación utilizada como espectrofotometría de absorción visible (colorimetría), ultravioleta e infrarroja. 1.1 FUNDAMENTO La espectrofotometría es una de las técnicas más utilizadas para la detección específica de moléculas, y se caracteriza por su precisión, sensibilidad y su aplicabilidad a moléculas de distinta naturaleza (contaminantes, biomoléculas, etc. Todas las sustancias pueden absorber energía radiante, lo cual indica la absorción y emisión de luz a través de ellas en forma de miles de millones de moléculas energéticas llamadas fotones, los cuales contienen una energía según la teoría de Planck. Las moléculas pueden absorber energía y almacenarla en forma de energía interna (calor) esto permite que se inicien procesos físico-químicos tales como la fotosíntesis en plantas. La mecánica cuántica nos dice que la luz está compuesta como ya se mencionó, por fotones; cada uno de ellos contiene energía especial: E foton hv  hc  Donde c es la velocidad de la luz, v es su frecuencia,  su longitud de onda y h  6.61034 J  s (constante de Planck). Cuando decimos que una sustancia química absorbe luz de longitud de onda  , esto significa que las moléculas de esa sustancia absorben fotones de esa longitud de onda. Generalmente la absorción de luz en el ultravioleta cercano   (325  420nm) y en el visible   (420  900nm) absorbe un fotón en este intervalo espectral, se excita pasando un electrón de un orbital del estado fundamental a un orbital en estado excitado de energía superior. de esta manera la molécula almacena la energía del fotón. A  hv( E )  A  E ( A ) E ( A)E foton Como la mayoría se conserva, la diferencia de energía entre el estado fundamental de la molécula A y su estado excitado A debe ser exactamente igual a la energía del fotón. Es decir, una molécula solo puede absorber fotones cuya energía hv sea igual a la energía de un estado molecular excitado. Cada molécula tiene una serie de estados excitados discretos (bandas) que dependen de su estructura electrónica y que la distinguen del resto de moléculas. Como consecuencia el espectro de absorción, es decir la luz absorbida en función de la longitud de onda, constituye una verdadera señal de identidad de cada sustancia o molécula. Por lo tanto se tiene que la absorción de luz incrementa la energía de una molécula, y que la emisión de luz reduce su energía. 10
  • 11. Análisis Instrumental Selector de longitud de onda (monocromador) Fuente de luz Po P Muestra Detector de luz b En la figura anterior se puede apreciar el principio de la medición espectrofotométrica. Cuando una muestra absorbe luz, la potencia radiante del haz de luz disminuye. La potencia radiante P (intensidad de la radiación después de pasar por un medio), se evalúa como energía por segundo en una unidad de tiempo por unidad de área del haz de luz. La grafica muestra que la luz se hace pasar por un monocromador (un prisma, una rejilla de difracción o un filtro) para aislar una sola longitud de onda. Esta ultima de potencia radiante Po, incide sobre una muestra de espesor b. La potencia radiante del haz emergente es P; la muestra puede absorber una fracción de la luz, de manera que PP0 . La transmitancia T, se define como la fracción de la luz incidente que sale de la muestra. T P Po La absorbancia Por lo tanto, T varia de cero a uno ( 0 T  1 ). A se define como: P  A  log10  o    logT P Cuando no se absorbe luz, P  P y entonces  A  0 . Cuando se absorbe 90% de la luz, o 10% de ella se transmite y P  PO 10 . Con esto se tiene A  1 . Cuando solo se transmite el 1% de la luz, A  2 . La absorbancia también se llama a veces densidad óptica, que se abrevia DO y en ocasiones se representa por E. También conocida como la fracción o “trozo” de potencia radiante incidente que absorbe la muestra. La importancia de la absorbancia estriba en que es directamente proporcional a la concentración de la especie absorbente en la muestra: A   bc (Ley de Beer)  = Constante de proporcionalidad denominada absorbilidad molar b = longitud del camino óptico c = concentración de la muestra 11
  • 12. Análisis Instrumental 1.2 EQUIPO: ESPECTROFOTÓMETRO http://perso.wanadoo.es/sergioram1/espectrofotometria.htm 1.3 PRINCIPIO FISICO El principio del Espectrofotómetro está basado en la Ley de Lambert-Beer, que relaciona la intensidad de luz incidente y la de la luz transmitida, cuando es atravesada una longitud de onda de un medio que absorbe. Si se registra la transmitancia cuando lo que realmente se desea es la absorbancia, se puede utilizar la ecuación de definición anteriormente dada para convertir una en otra y obtener la medida que se desea. 1.4 RESULTADOS Generalmente los resultados obtenidos en graficas muestran unas respuestas dadas por la longitud de onda del haz de luz vs la absorbancia (transmitancia deducible por formula), la cual indica la relación del medio (coeficiente de absorción, índice de refracción, etc), esto conforme a la ley de Beer, la cual dice que la absorbancia es proporcional a la concentración del cromóforo absorbente y al espesor de la celda. También se pueden encontrar respuestas con base en graficas entre longitud de onda vs índice de refracción del medio las cuales hablan de cómo se desviara o cambiara la longitud de onda  respecto a tipo de material o medio por el cual se desplace. Curva de Calibración: Con los datos de la parte recta de la curva de Ringbom se construye la curva de calibración Absorbancia (en la ordenada) vs. Concentración (en laabscisa) previo ajuste de los datos por mínimos cuadrados (que incluyen el punto 0.0, 0.0000) revisando que el coeficiente de correlación sea estadísticamente significativo. La gráfica de la recta de calibración debe incluir los puntos experimentales. La recta ajustada también se conoce con el nombre de curva de trabajo. 1.5 APLICACIONES Para que un compuesto pueda ser analizado mediante espectrofotometría debe absorber luz, y esta absorción debe ser distinguible de otras absorciones de especies presentes en la muestra. 12
  • 13. Análisis Instrumental En vista de que la mayoría de los compuestos absorben la radiación ultravioleta, estos resultados suelen dirigirse al espectro visible. Sin embargo, cuando no hay especies que interfieran, la absorbancia ultravioleta suele ser muy útil. Las soluciones de proteínas normalmente se analizan en la región de ultravioleta a 280 nm, debido a que los grupos aromáticos presentes en casi todas las proteínas tienen una máxima absorbancia de 280 nm.El hierro para biosíntesis se transporta en el flujo sanguíneo unido a la proteína transferrina. El procedimiento que se utiliza para medir el contenido de hierro en esa proteína de transporte. Este análisis es muy sensible ya que necesita 1 g 106 g de hierro para obtener una exactitud de un rango entre el 2-5%. La sangre humana contiene normalmente 45% (V/V) de células y 55% de plasma (liquido). Si la sangre se colecta sin un anticoagulante, se coagula, y el líquido que queda se llama suero. 1. El Fe (III) en la transferrina se reduce a Fe (II), y de este modo se separa de la proteína. Los agentes reductores que se emplean normalmente son clorhidrato de hidroxilamina ( NH3OH  Cl  ), acidotioglicolico o ácido ascórbico Vita. C. 2. Se agrega ácido tricloroacético (Cl3CCO2 H ) para precipitar todas las proteínas, dejando al Fe (II) en solución. Las proteínas se eliminan por centrifugación. Si se les dejara en solución, precipitarían parcialmente en la solución final. Las partículas de precipitado serian consideradas erróneamente absorbentes de luz por el espectrofotómetro. 3. Un volumen medido del líquido sobrenadante que se obtuvo en el paso 2 se transfiere a un recipiente y se trata con un exceso de ferrozina para formar el complejo purpura, y se mide su absorbancia. También se agrega una solución patrón para mantener el pH en un intervalo en el que la formación del complejo ferrozina-hierro sea cuantitativa. En la mayoría de los análisis espectrofotométricos es importante preparar un blanco que contenga todos los reactivos, pero en que el analito se ha sustituido por agua destilad. Cualquier absorbancia del blando se debe al color de la ferrozina no complejadamas el color de las impurezas de hierro en los reactivos y en el material de vidrio. La absorbancia del blanco se resta se resta de todas las absorbancias antes de hacer cualquier cálculo. 1.6 APLICACIONES AGROINDUSTRIALES El primer uso industrial de la espectrofotometría y colorimetría estuvo en la industria de la pintura. El objetivo principal era intentar mantener las partidas de pintura lo más similares posible entre ellas y así reducir al mínimo las diferencias cuando se debía retocar de nuevo la pintura. Al final de los años ochenta, los primeros espectrofotómetros y especialmente la colorimetría se abrieron camino en las imprentas. La industria química, petroquímica, farmacéutica, del vidrio, pinturas, papel, automotriz, textil entre otras, requieren de instrumentos ópticos (espectro colorímetros, colorímetros y espectrofotómetros) para llevar a cabo las mediciones de color de manera confiable (análisis cualitativo, medición de color, pureza, control de calidad, aceptación o rechazo de producto terminado, anuncios y seguridad, uniformidad e igualación del color, etc.), por lo que se requiere calibrar los equipos y asegurar su trazabilidad a patrones nacionales y con ello determinar la exactitud y compatibilidad de los resultados de las mediciones 13
  • 14. Análisis Instrumental 2. ESPECTROMETRIA DE ULTRAVIOLETA-VISIBLE 2.1 FUNDAMENTO DE LA TÉCNICA La espectrometría de Ultravioleta Visible utiliza radiación electromagnética (luz) de las regiones visible, ultravioleta cercana (UV) e infrarroja cercana (NIR) del espectro electromagnético (160nm - 780nm). La radiación absorbida por las moléculas desde esta región del espectro provoca transiciones electrónicas que pueden ser cuantificadas. Esta se basa en la medida de la transmitancia T o de la absorbancia A de disoluciones que se encuentran en cubetas transparentes que tienen un camino óptico de b cm. Normalmente, la concentración c de un analito absorbente está relacionada linealmente con la absorbancia como representa la ecuación: Esta ecuación es una representación matemática de la Ley de Beer Término y Símbolo* Definición Nombre y símbolo alternativo Potencia Radiante P, P0 Energía (en ergios) de la Intensidad de la radiación I, I0 radiación que incide en el detector, por cm2 y por segundo Absorbancia A Densidad Óptica D; extinción E Transmitancia T Transmisión T Camino óptico de la radiación b Absortividada Absortividad molar --- l, d Coeficiente de extinción k Coeficiente de extinción molar *Terminología recomendada por la American ChemicalSociety (Anal. Chem., 1990, 62, 91) Atenuación de una radiación con una potencia inicial P0 por una disolución que contiene c moles por litro de soluto absorbente y con un camino óptico de b cm P < P 0 14
  • 15. Análisis Instrumental La ley de Beer describe de forma correcta el comportamiento de absorción de un medio que contiene concentraciones de analito relativamente bajas; en este sentido es una ley límite. A concentraciones altas (generalmente >0.01M), la distancia media entre las moléculas responsables de la absorción disminuye hasta el punto en que cada molécula altera la distribución de carga de las moléculas vecinas. Esta interacción, a su vez, puede alterar la capacidad de las moléculas para absorber la radiación de una determinada longitud de onda. Como la magnitud de la interacción depende de la concentración, la aparición de este fenómeno da lugar a desviaciones de la linealidad entre la absorbancia y la concentración. 2.2 EQUIPO: ESPECTRÓMETRO DE UV-VISIBLE El científico interesado en medidas de absorción en las regiones ultravioleta, visible e infrarrojo cercano no dispone de cien o más modelos de instrumentos para elegir. Algunos son sencillos y baratos (unos cientos de dólares); otros son equipos complejos, informatizados cuyo precio asciende y supera los 30.000 dólares. Para muchas aplicaciones, los instrumentos más sencillos proporcionan información tan rápida y satisfactoria como la obtenida con los equipos más sofisticados. Por otra parte, los instrumentos más complejos se han desarrollado para realizar tareas difíciles, que requieren mucho tiempo, o imposibles de realizar con los más sencillos. Los instrumentos para medir la absorción de radiación ultravioleta, visible y en el infrarrojo cercano están compuestos por uno o más de los siguientes componentes: (1) Fuentes, (2) selectores de longitud de onda, (3) recipientes para la muestra, (4) detectores de radiación y (5) procesadores de señal y dispositivos de lectura. Espectrómetro de UV-Visible. Fuente: http://ictp.csic.es 15
  • 16. Análisis Instrumental Diseños instrumentales para fotómetros y espectrofotómetros: (a) instrumentos de Haz sencillo, (b) instrumentos de doble haz con haces separados en el espacio, (c) instrumentos de doble haz con haces separados en el tiempo. SKOOG 5 ED 2.3 PRINCIPIO FÍSICO Una molécula es capaz de absorber radiación ultravioleta-visible, causando una excitación electrónica. El tiempo de vida de la especie excitada es breve (10 -8 a 10-9 s), su existencia termina por un proceso de relajación. La forma de relajación más común supone la conversión de la energía de excitación en calor. Existen tres tipos de transiciones electrónicas y las especies absorbentes se clasifican dentro de esa base. Dichas transiciones incluyen: (1) electrones π, σ y η, (2) electrones d y f, (3) electrones de transferencia de carga. 16
  • 17. Análisis Instrumental 2.3.1 Electrones π, σ y η Todos los compuestos orgánicos son capaces de absorber radiación electromagnética porque todos contienen electrones de valencia que pueden ser excitados a niveles de energía superiores. A menor longitud de onda, mayor energía absorbida. La energía para los distintos tipos de orbitales moleculares difiere significativamente. Las transiciones electrónicas entre los distintos niveles de energía se pueden producir por absorción se radiación. Son posibles cuatro tipos de transiciones: σ σ*, ησ*, ηπ* y ππ*. 2.3.1.1 Transiciones σ σ* En este caso, un electrón de orbital sigma enlazante de una molécula se excita al correspondiente orbital antienlazante mediante la absorción de radiación. La energía requerida para esta transición es grande. El metano, por ejemplo que solo contiene enlaces sencillos C-H y que solo puede sufrir transiciones se este tipo, presenta un máximo de absorción a 125nm. 2.3.1.2 Transiciones ησ* Los compuestos saturados que contienen pares de electrones no compartidos son capaces de sufrir estas transiciones. Estas requieren menos energía que las anteriores y se pueden producir por radiación e la región comprendida entre 150 y 250nm, apareciendo, la mayoría de los picos de absorción, por debajo de 200nm. 2.3.1.3 Transiciones ηπ* y ππ* Esta es la más usada en las aplicaciones de esta espectrometría porque la energía utilizada para estos procesos produce picos de absorción dentro de una región espectral experimentalmente accesible (200 a 700nm) 17
  • 18. Análisis Instrumental Características de absorción de algunos cromóforos comunes. SKOOG 5 ED La luz visible o UV es absorbida por los electrones de valencia, éstos son promovidos a estados excitados (de energía mayor). Al absorber radiación electromagnética de una frecuencia correcta, ocurre una transición desde uno de estos orbitales a un orbital vacío. Las diferencias entre energías varían entre los diversos orbitales. Algunos enlaces, como los dobles, provocan coloración en las moléculas ya que absorben energía en el visible así como en el UV, como es el caso del β-caroteno. Cuando un haz de radiación UV-Visible atraviesa una disolución conteniendo un analito absorbente, la intensidad incidente del haz (P0) es atenuada hasta P. Esta fracción de radiación que no ha logrado traspasar la muestra es denominada transmitancia (T). Por aspectos prácticos, se utilizará la absorbancia (A) en lugar de la transmitancia, por estar relacionada linealmente con la concentración de la especie absorbente según la Ley de Beer. 18
  • 19. Análisis Instrumental 2.4 RESULTADOS Las aplicaciones de la espectrofotometría ultravioleta y visible en el análisis cualitativo están en cierta medida limitadas, ya que el número de máximos y mínimos de absorción es relativamente pequeño. Por tanto, una identificación inequívoca es a menudo imposible. En espectroscopia molecular cualitativa existen diferentes tipos de registros espectrales. Lo más habitual es representar en ordenadas el porcentaje de transmitancia, la absorbancia, el logaritmo de la absorbancia o la absortividad molar. En abscisas es habitual representar la longitud de onda o el número de onda, aunque en algunas ocasiones se emplea la frecuencia. La figura muestra el efecto de la concentración de analito en tres de los modelos de registros más comunes. Al comparar los registros (a) y (b) se observa que en el registro de absorbancia las diferencias entre las alturas de los picos en función de la concentración son mayores que en el registro de transmitancia. Por otra parte, las diferencias entre las curvas son mayores cuando las transmitancias son elevadas. Un registro en el que en ordenadas se representa el logaritmo de absorbancia, conduce a una pérdida de detalle espectral, pero es conveniente para comparar espectros de disoluciones de distintas concentraciones, ya que las curvas se desplazan la misma magnitud a lo largo del eje vertical para múltiplos iguales de concentración. 2.5 APLICACIONES Las aplicaciones de los métodos de absorción ultravioleta/visible no sólo son numerosas sino que abarcan todos los campos en los que se demanda información química cuantitativa. Por ejemplo, se ha estimado que solamente en el campo de la sanidad, un 95% de las determinaciones cuantitativas de llevan a cabo por espectrofotometría de ultravioleta/visible. 2.6 APLICACIONES AGROINDUSTRIALES Estudio de estabilidad térmica de aceites vegetales comestibles. Tiene gran importancia con fines de identificación, como criterio de pureza o para control de calidad  Análisis químicos y texturales, estudio de aleaciones, soldaduras, etc. 19
  • 20. Análisis Instrumental        Microanálisis no destructivo de muestras valiosas (joyería, gemología, etc.) Análisis de pigmentos industriales. Determinación de estructuras moleculares en cristales. Identificación y análisis de compuestos orgánicos. Determinación de estructuras moleculares en cristales. Identificación de material particulado (látex, liposomas, arcillas, etc.) Determinación de contaminantes orgánicos, inorgánicos y pesticidas a nivel de trazas. 20
  • 21. Análisis Instrumental 3. ESPECTROMETRÍA DE ABSORCIÓN EN EL INFRARROJO 3.1 FUNDAMENTO Tanto desde el punto de vista instrumental como de sus aplicaciones es conveniente dividir la región infrarroja en tres regiones denominadas infrarrojo cercano (NIR), infrarrojo medio (MIR) e infrarrojo lejano (FIR). La gran mayoría de las aplicaciones analíticas clásicas de la espectroscopia infrarroja se basan en el empleo del infrarrojo medio (4000-200 cm-1) y el infrarrojo cercano (12.800-4000 cm-1), que proporciona la posibilidad de convertir esta técnica en una técnica cuantitativa. La técnica de transformada de Fourier supuso una revolución en la espectroscopia en general y particularmente en este tipo de espectroscopia, permitiendo la obtención de espectros de forma rápida, precisa y con relaciones Señal/Ruido (S/N) elevadas. El origen de la absorción de las bandas en el infrarrojo cercano es el mismo que para las bandas del IR medio: una molécula absorbe radiación electromagnética en esta región si la energía de la radiación corresponde a la diferencia energética entre 2 niveles vibracionales, además de producirse un cambio en el momento bipolar de la molécula. Cuando se dan éstas dos circunstancias, ocurre una transferencia neta de energía que da lugar a un cambio en la amplitud de la vibración molecular y como consecuencia absorbe la radiación. El fenómeno espectroscópico que provoca la absorción de energía por parte de la materia es debido: a las rotaciones moleculares en el IR lejano, a bandas fundamentales de vibración en el IR medio, y finalmente a bandas de combinación de las bandas fundamentales y a sobretonos en el IR cercano. Cuando se trata de especies homonucleares como O2, N2, o Cl2, el momento bipolar no se altera durante la vibración o la rotación y, en consecuencia, este tipo de compuestos no absorben radiación en el infrarrojo. Los movimientos vibratorios que presenta una molécula pueden ser básicamente de dos tipos: Estiramiento. Se produce un cambio en la distancia interatómica a lo largo del eje del enlace de dos átomos durante la vibración. Flexión. Además de la modificación en la distancia interatómica se produce un cambio en el ángulo de enlace. A diferencia del infrarrojo medio, en la región del NIR no aparecen las bandas de vibración fundamentales    1 . 21
  • 22. Análisis Instrumental http://www.ehu.es/imacris/PIE06/web/IR.htm 3.2. EQUIPO: ESPECTRÓMETRO DE ABSORCIÓN EN EL INFRARROJO Los equipos pueden clasificarse básicamente en dos tipos: dispersivos y no dispersivos. Dentro de los sistemas dispersivos que descomponen la luz policromática que proviene de la fuente de radiación en longitudes de onda discretas. La radiación entra en forma de haz estrecho y un elemento dispersante, que puede ser un prisma o una red de difracción, la descompone. Los más utilizados actualmente son más baratos, proporcionan mejor separación de longitudes de onda y dispersan linealmente la radiación. El conjunto de sistemas no dispersivos es más amplio debido a su mayor utilización actualmente. Dispone de equipos con filtros adicionales, con filtros optoacústicos (AOTF) e instrumentos de transformada de Fourier (FT), ambos con características bastante diferentes entre sí. La selección de longitudes de onda mediante filtros se realiza interponiendo materiales específicos entre la muestra y la fuente de radiación, permitiendo el paso de longitudes de onda selectivas. 22
  • 23. Análisis Instrumental Espectrómetro BRUKER IFS 66, es capaz de trabajar con una resolución de hasta 1cm -1. Dispone de una fuente de IR medio (tipo) con un rango de trabajo entre 9000-100 cm-1. La utilización de un divisor de haz de KBr y un detector DLaTGS limita la obtención de espectros de calidad al rango 7000-400 cm-1, aunque existe la posibilidad de aumentar este rango hasta los 200cm-1 con la utilización de distintos divisores de haz. 3.3. PRINCIPIO FÍSICO Debido a la baja intensidad de las bandas NIR, el nivel de exigencia de los espectrofotómetros NIR, en términos de nivel de ruido permisible y estabilidad instrumental, debe ser mayor que en otros instrumentos, sobre todo si se pretende aplicar al análisis cuantitativo. Ésta es una de las causas de la tardía aparición de los primeros espectrofotómetros NIR. El esquema básico de un instrumento NIR no difiere de cualquier espectrofotómetro. Sus componentes básicos son: fuente de radiación, sistema de selección de longitud de onda, compartimiento de muestra y detector. 3.3.1 Fuente de radiación La fuente de radiación más utilizada es la lámpara halógena de filamento de tungsteno con ventana de cuarzo, capaz de proporcionar un espectro continuo en la región de 320-2500nm. 3.3.2 Sistemas de selección de longitudes de onda Es el componente esencial que permite obtener la información espectral a cada longitud de onda. El selector debe proporcionar un ancho de banda estrecho respecto al ancho de banda que está midiendo y debe ser preciso y exacto para la longitud de onda analítica. 3.3.3 Compartimiento de muestra Los instrumentos NIR permiten registrar el espectro tanto de muestras sólidas, líquidas y gaseosas. La ausencia de pretratamiento de muestra para el registro de su espectro, permite disponer de gran cantidad de accesorios adaptables a cada situación. 3.3.4 Detector Es el dispositivo encargado de recibir la señal luminosa que proviene de la muestra y la transforma en señal eléctrica. Detectores habituales en espectroscopia en el infrarrojo próximo son los construidos con semiconductores (como InGaAs, PbS, InSb, Si,…). Hasta 1100nm el semiconductor más utilizado en los detectores es el Su, y en la región entre 1100 y 2500nm el material fotoconductivo más utilizado es el PbS. 3.4. RESULTADOS Como normalmente sucede en la escala se representa una escala lineal de número de onda de unidades de cm-1. La mayoría de los instrumentos modernos utilizan un microordenador con un software versátil capaz de producir diversos formatos de señales de salida, tales como 23
  • 24. Análisis Instrumental transmitancia frente a la longitud de onda, y la absorbancia frente a número de onda o longitud de onda. La preferencia por la escala lineal de número lineal de número de onda, en espectroscopia en el infrarrojo, se debe a la directa proporcionalidad que existe entre esta magnitud y la energía o la frecuencia. La frecuencia de la radiación absorbida coincide con la frecuencia de la vibración molecular, que en realidad es la responsable del proceso de absorción. Se destaca que la abscisa de la figura cambia de escala a partir de 2.000 cm -1. Esta discontinuidad se introduce por comodidad, dado que en los espectros de infrarrojo la mayoría de los detalles útiles, desde el punto de vista cualitativo, aparecen a número de onda inferiores a 2.000 cm-1. Espectro de absorción en el infrarrojo de una película delgada de poliestireno obtenido con un moderno espectrofotómetro de IR. (Skoog D., Holler J., Nieman T., 2000, pág. 410,411) 3.5. APLICACIONES Las técnicas y las aplicaciones de los métodos basados en cada una de las tres regiones del espectro infrarrojo difieren considerablemente. Las medidas de infrarrojo cercano se realizan con fotómetros y espectrofotómetros similares, en cuanto a su diseño y componentes. Las aplicaciones más importantes de ésta región espectral se encuentran en el análisis cuantitativo de materiales industriales y agrícolas y en los procesos de control. La mayoría de los instrumentos para la región de infrarrojo medio o fundamental son del tipo de transformada de Fourier. Los fotómetros con filtros de interferencias también son útiles para medir la composición de los gases y de los contaminantes atmosféricos. 24
  • 25. Análisis Instrumental La aparición, en la última década de espectrómetros de transformada de Fourier ha aumentado el número y tipo de aplicaciones de la radiación del infrarrojo medio; este incremento radica en el aumento de la relación señal/ruido, y de los límites de detección, en un orden de magnitud e incluso mayor, que pueden conseguirse son los instrumentos interferométricos. Antes en la espectrometría de infrarrojo medio se utilizaba en su mayor parte para el análisis orgánico cualitativo y la determinación estructural, teniendo como base los espectros de absorción. Ahora como contraste, la espectrometría en el infrarrojo medio se está comenzando a utilizar además en el análisis cuantitativo de muestras complejas, mediante espectrometría de absorción y emisión. También han empezado a aparecer aplicaciones de esta región espectral en los estudios microscópicos de superficies, análisis de sólidos mediante reflectancia total atenuada y reflectancia difusa, medidas fotoacústicas y otras. El uso de la región del espectro del infrarrojo lejano, las pocas fuentes de este tipo de radiación disponibles son notoriamente débiles y además se ven atenuadas por la necesidad de utilizar filtros de selección de órdenes espectrales para evitar que la radiación de mayores órdenes que emerge de la red de dispersión alcance el detector. 3.6. APLICACIONES AGROINDUSTRIALES El servicio de Espectroscopia Infrarroja en las industrias agroalimentarias es de gran importancia para llevar a cabo funciones como las siguientes:  Análisis de relaciones entre C, N, H y S en suelos agrícolas  Determinación de la composición cárnica de embutidos y conservas  Control de calidad, especialmente en cuanto a adulteraciones de aceite de oliva y azucares en zumos  Determinación de contaminantes orgánicos y pesticidas a nivel de trazas  Determinación de ácidos grasos y grasas  Análisis de aminoácidos  Análisis de composición y control de calidad de derivados del petróleo 25
  • 26. Análisis Instrumental 4. ESPECTROMETRIA DE MASAS 4.1. FUNDAMENTO La espectroscopia de masas es una técnica basada en la posibilidad de separar especies moleculares y atómicas según su masa. Los espectros de masas se obtiene por conversión de los componentes de una muestra en iones gaseosos que se mueven rápidamente y se separan en función de su relación masa-carga. La espectrometría de masas atómicas es una herramienta muy versátil y útil para identificar los elementos presentes en una muestra y determinar las concentraciones de cada una de las materias que la componen. Esta técnica nos permite determinar prácticamente todos los elementos del sistema periódico. Esta técnica ofrece numerosas ventajas frente a las técnicas espectrométricas ya que:        Los límites de detección que son, para muchos elementos, tres órdenes de magnitud más sensibles frente a los métodos ópticos. No implica la absorción o emisión de luz Espectros notablemente más sencillos, generalmente únicos y con frecuencia fácilmente interpretables. Capacidad para medir relaciones isotópicas atómicas. Es una técnica universal y especifica Permite obtener información isotópica, estructural, energias de enlace, cinética, fisicoquímica etc. Es una técnica rápida En cambio, también tienen una serie de desventajas que no se pueden obviar como:     El coste del instrumento es de dos a tres veces el de los instrumentos ópticos atómicos. Es una técnica destructiva, la muestra no se puede recuperar integra, al haber sufrido la fragmentación. La deriva del instrumento puede ser del orden del 5 o 10%/hora. Contiene unas determinadas interferencias. 26
  • 27. Análisis Instrumental 4.2. EQUIPO: ESPECTRÓMETRO DE MASAS Básicamente un espectrómetro de masas consta esencialmente de las siguientes partes: www.espectrometria.com 4.2.1 Sistema de entrada de muestras En el sistema de entrada de muestras, un micromol o menos de muestra se convierten al estado gaseoso por calentamiento a unos 400ºC y se introduce lentamente en la cámara de ionización. La finalidad del sistema de entrada es permitir la introducción de una muestra representativa en la fuente de iones con la mínima perdida de vacío. 4.2.2 Cámara de ionización Las fuentes de iones de los espectrómetros de masas, tienen todas unas características comunes, pese a la variabilidad de tipos existente y es que todas transforman los componentes de una muestra en iones. En todos los casos, se obtiene un haz de iones positivos o negativos (normalmente positivos) que posteriormente se acelera hacia el interior del analizador de masas o sistema separador a través del acelerador 4.2.3 Acelerador: En el sistema acelerador las partículas ionizadas producidas por el impacto de los electrones son obligados a atravesar una primera ranura aceleradora por una pequeña diferencia de potencial. Entre esta primera y una segunda ranura existe una diferencia de potencial muy elevada que imprime a las partículas su velocidad final. Una tercera ranura actúa como colimador del haz de partículas 4.2.4 Analizadores Para la separación de iones con diferente relación m/e se dispone de varios dispositivos. Lo ideal es que el analizador fuera capaz de distinguir entre diferencias muy pequeñas de masa. Además, los analizadores deberían de permitir el paso del número suficiente para producir corrientes iónicas fáciles de medir. 27
  • 28. Análisis Instrumental 4.2.5 Detector Los iones procedentes del sistema acelerador llegan al detector el cual generalmente está constituido por un cátodo emisor que al recibir el impacto producido por las partículas cargadas emite electrones. Estos electrones son acelerados hacia un dinodo el cual emite varios electrones más al recibir el impacto de cada electrón. Componentes de un Espectrómetro de Masas. Skoog 4ed pág. 494 Entre las características del espectrómetro de masas se encuentran:  Aplicaciones principales: Determinación de la estructura e identidad de compuestos orgánicos.  Fenómeno molecular: Ionización y rompimiento de la molécula en fragmentos de iones.  Ventajas en el análisis cualitativo: Peso molecular preciso, masas de partes integrantes de la molécula, muy alta sensibilidad, detección de impurezas.  Ventajas en el análisis cuantitativo: Alta sensibilidad.  Muestra promedio deseable: <1 mg  Limitaciones del método: No siempre puede diferenciar entre estructuras isómeras.  Limitaciones para la muestra: Ninguna 4.3. PRINCIPIO FÍSICO La espectrometría de masas se fundamenta en la separación de partículas moleculares o atómicas por su diferente masa. En la ionización por impacto electrónico, se bombardea la molécula con un haz de electrones de alta energía. Un electrón de este tipo puede arrancar un electrón de un enlace creando un catión radical (ion positivo con un electrón desapareado). Para esto se debe hacer un proceso de cuatro pasos en el que se ioniza la muestra para que posteriormente los átomos formados sean convertidos en un flujo de iones generalmente de positivos y de carga única. Dado que estos tienen una sola carga y que el resto de parámetros se mantienen constantes, la relación m/e suele ser la masa del ión.El ordenador al que está 28
  • 29. Análisis Instrumental conectado el aparato recoge las distintas señales y las reproduce en forma de espectrograma, formato de fácil interpretación. 4.4. RESULTADOS El espectro de masas se presenta habitualmente como un gráfico de barras, en la que cada una de ellas corresponde a un ión. La información proporcionada incluye la relación m/z y la intensidad relativa de cada señal. A la más intensa, denominada pico base, se le asigna el valor 100. Como la mayor parte de los iones formados tiene carga unidad, las relaciones m/z se correspondes con sus masas. El ión molecular es el ión que resulta tras la pérdida de un electrón por parte de la molécula. Como consecuencia del bombardeo electrónico en la cámara de ionización, las moléculas se rompen en una serie de fragmentos, siempre que una misma molécula se rompa en las mismas condiciones nos dará el mismo tipo y número de fragmentos y constituyen la fragmentación patrón. Gracias a esto se pueden determinar que es la muestra por comparación y por otra parte, la intensidad relativa de los distintos picos, permite deducir la proporción en que cada componente se encuentra en la muestra. El pico del espectrograma que aparece con valor más elevado de m/e corresponde a la molécula ionizada sin fragmentar y recibe el nombre de masa patrón. Esta masa patrón nos permite determinar con rapidez y precisión la masa molecular, siempre que se opere con una tensión de ionización no excesivamente elevada, la cual produciría la fragmentación total de la molécula El pico mayor del espectrograma de masa se llama pico base. Normalmente la altura de este pico se toma como valor cien. Las intensidades de los demás picos se expresan en porcentajes de la intensidad del pico base. Aspecto clásico de un espectrograma de masas, en el que se señalan su pico base y su ión molecular más importante. La tabla situada a la derecha nos indica la concentración y la relación m/z de cada uno de los elementos presentes en el analito http://mural.uv.es/caloan/ 29
  • 30. Análisis Instrumental 4.5. APLICACIONES 4.5.1 Aplicaciones cualitativas  Determinación del peso molecular de todas las sustancias que pueden volatilizarse por la posición del pico correspondiente a la masa patrón.  Determinación de la formula molecular. Si el instrumento es de gran resolución bastará la determinación precisa de su masa molecular para poder atribuirle una fórmula empírica. Otras veces puede determinarse por la relación entre las alturas del pico correspondiente a la masa patrón y la de los picos de los isótopos. Existe una tercera forma que sería con la regla del nitrógeno, según la cual todas las sustancias orgánicas con peso molecular par deben de contener un número par o ningún átomo de N y los de número impar deben de contener un número impar. Por el contrario los fragmentos moleculares por rotura de enlace, tienen una masa impar si contienen cero o número par de átomos de N y masa par si el número de átomos de N es impar.  Identificación de compuestos por su fragmentación patrón: la fragmentación de la mayor parte de las moléculas produce un gran número de picos que permiten la identificación de numerosos compuestos y el reconocimiento de ciertos grupos funcionales de ellos. Se han descrito una serie de reglas generales que rigen los procesos de fragmentación, los cuales son de gran utilidad para la determinación de los espectros.  Caracterización y análisis de polímeros: el polímero se piroliza en condiciones controladas y los productos volátiles se hacen pasar a un espectrómetro para su análisis.  Análisis de sangre: gracias ala rapidez del método, se puede emplear incluso como control durante un proceso quirúrgico. Así se puede determinar a gran velocidad las concentraciones hemáticas de monóxido y dióxido de carbono, oxígeno, nitrógeno, gases anestésicos (como el NO). 30
  • 31. Análisis Instrumental  Estudiar la abundancia de isótopos: Esta fue la finalidad con la que fue creada la técnica y en la actualidad se usa para análisis por dilución de isótopos, estudios con trazadores isotrópicos 5, estudiar la edad de las muestras por su proporción de isótopos con la ventaja frente a los radiactivos que se pueden medir los isótopos no radiactivos. 4.5.2 Aplicaciones cuantitativas Para la determinación cuantitativa de los componentes de una mezcla es conveniente que cada uno de ellos presente por lo menos un pico que difiera claramente de los demás. La calibración se realiza por comparación de los picos con patrones adecuados. Las alturas de los picos son directamente proporcionales a las presiones parciales de los componentes volatilizados en la muestra. Las aplicaciones cuantitativas de la espectrometría de masas para análisis cuantitativo son de dos tipos:  Determinación cuantitativa de especies moleculares o tipos de especies moleculares en muestras orgánicas, biológicas y ocasionalmente inorgánicas: normalmente tales análisis se llevan a cabo haciendo pasar la muestra a través de una columna cromatrográfica o de electroforesis capilar y posteriormente por el espectrómetro.  Determinación de la concentración de elementos en muestras inorgánicas y, en menor medida, de muestras orgánicas y biológicas: las concentraciones de analito en este caso se obtienen directamente a partir de las alturas de los picos de los espectros de masas. Se crean curvas de calibrado que nos permiten el análisis cuantitativo gracias a la existencia de picos únicos para cada componente y cada valor de m/z. Las aplicaciones son tan numerosas y abarcan tantos campos que resulta complicado citarlas todas, a continuación veremos las más características:            Elucidación de la estructura de moléculas orgánicas y biológicas. Determinación del peso molecular de péptidos, proteínas y oligonucleicos. Identificación de los compuestos de cromatogramas en capa fina y papel. Determinación de secuencias de aminoácidos en muestras de polipéptidos y proteínas. Detección e identificación de especies separadas por cromatrografía y electroforesis capilar. Identificación de drogas de abuso y sus metabolitos en sangre, orina y saliva. Control de gases en enfermos respiratorios durante los procesos quirúrgicos. Pruebas para confirmar la presencia de drogas en sangre de caballos de carreras y en atletas olímpicos. Datación de ejemplares en arqueología. Análisis de partículas en aerosoles. Control de compuestos orgánicos volátiles en el agua de suministro 31
  • 32. Análisis Instrumental 4.6. APLICACIONES AGROINDUSTRIALES Se han desarrollado protocolos de análisis rápidos y fiables que permiten garantizar la calidad y seguridad alimentaria en alimentos básicos como la leche y el contenido de especies tóxicas de As y Hg en productos de la pesca, alimento que aporta a la dieta uno de los niveles más altos de estos dos metales pesados. En el diseño de protocolos siempre se ha buscado minimizar el tratamiento previo de la muestra, el uso de reactivos menos peligrosos y la mínima generación de residuos.        Determinar la adulteración de la miel de abeja Monitorear fermentaciones en línea (industria biotecnológica) Determinar contaminantes orgánicos en aire, suelo, aguas y alimentos Identificación de productos de reacción o de productos metabólicos: se usa en cinética química y en farmacología pudiéndose llegar a identificar impurezas y metabolitos a concentraciones de pocas partes por millón. Determinación de residuos de pesticidas en alimentos. Caracterización de aromas, de proteínas de vinos Análisis de procesos industriales, control de calidad de productos de química fina e de industrias alimenticias 32
  • 33. Análisis Instrumental 5. ESPECTROMETRIA DE ABSORCION ATOMICA 5.1 FUNDAMENTO DE LA TECNICA La espectrometría de absorción atómica es un método instrumental que se basa en la absorción, emisión y fluorescencia de radiación electromagnética por partículas atómicas. Se emplean principalmente radiaciones del espectro ultravioleta (UV) y visible y Rayos X. Consiste en la medición de las especies atómicas por su absorción a una longitud de onda particular. La especie atómica se logra por atomización de la muestra. La técnica de atomización más usada es la absorción atómica con flama o llama, que nebuliza la muestra y luego la disemina en forma de aerosol dentro de una llama de aire de acetileno u óxido nitroso-acetileno. La absorción de la luz por medio de átomos brinda una herramienta analítica poderosa para los análisis cuantitativos y cualitativos. La espectrometria de absorción atómica se basa en el principio que los átomos libres en estado fundamental pueden absorber la luz a una cierta longitud de onda. La absorción es específica, por lo que cada elemento absorbe a longitudes de onda únicas. Es una técnica analítica aplicable al análisis de trazas de elementos metálicos en minerales, muestras biológicas, metalúrgicas, farmacéuticas, aguas, alimentos y de medio ambiente. La espectrometría de absorción atómica transforma la muestra problema (que puede encontrarse en disolución o sólida) en átomos en estado de vapor y medir la radiación electromagnética absorbida por dichos átomos. La mayor parte de la información útil se obtiene operando en las regiones UV, visible y rayos X. Los espectros atómicos están constituidos por picos estrechos y bien definidos que se originan por transiciones entre los diferentes niveles de energía electrónica, estas líneas de resonancia tienen origen en el estado basal y un destino en diferentes estados excitados. La absorción atómica es el proceso que ocurre cuando átomos de un elemento en estado fundamental absorben energía radiante a una longitud de onda específica. La cantidad de radiación absorbida aumenta al incrementar el número de átomos del elemento presentes en el “camino óptico”, esto permite utilizar a la absorción atómica con fines cuantitativos. Este método puede detectar cantidades tan bajas como 10-14gramos. La absorción de radiación por átomos libres involucra una transición de estos átomos desde el altamente poblado estado basal hasta un estado electrónico excitado. 33
  • 34. Análisis Instrumental 5.2 EQUIPO: ESPECTRÓMETRO DE ABSORCIÓN ATÓMICA http://www.google.com.co/images?hl=es&q=espectrometria%20de%20absorcion%20atomica&u m=1&ie=UTF-8&source=og&sa=N&tab=wi&biw=1024&bih=575 Es un método instrumental que está basado en la atomización del analito en matriz líquida y que utiliza comúnmente un nebulizador pre-quemador (o cámara de nebulización) para crear una niebla de la muestra y un quemador con forma de ranura que da una llama con una longitud de trayecto más larga. La niebla atómica es desolvatada y expuesta a una energía a una determinada longitud de onda emitida ya sea por una Lámpara de Cátodo hueco construida con el mismo analito a determinar o una Lámpara de Descarga de Electrones (EDL). Normalmente las curvas de calibración no cumplen la Ley de Beer-Lambert en su estricto rigor. La temperatura de la llama es lo bastante baja para que la llama de por sí no excite los átomos de la muestra de su estado fundamental. El nebulizador y la llama se usan para desolvatar y atomizar la muestra, pero la excitación de los átomos del analito es hecha por el uso de lámparas que brillan a través de la llama a diversas longitudes de onda para cada tipo de analito. En AA la cantidad de luz absorbida después de pasar a través de la llama determina la cantidad de analito existente en la muestra. Hoy día se utiliza frecuentemente una mufla de grafito (u horno de grafito) para calentar la muestra a fin de desolvatarla y atomizarla, aumentando la sensibilidad. El método del horno de grafito puede también analizar algunas muestras sólidas o semisólidas. Debido a su buena sensibilidad y selectividad, sigue siendo un método de análisis comúnmente usado para ciertos elementos traza en muestras acuosas (y otros líquidos). Otro método alternativo de atomización es el Generador de Hidruros. 5.3 PRINCIPIO FISICO Los electrones de los átomos en el atomizador pueden ser promovidos a orbitales más altos por un instante mediante la absorción de una cantidad de energía (es decir, luz de una determinada longitud de onda). Esta cantidad de energía (o longitud de onda) se refiere específicamente a una transición de electrones en un elemento particular, y en general, cada longitud de onda corresponde a un solo elemento. 34
  • 35. Análisis Instrumental Como la cantidad de energía que se pone en la llama es conocida, y la cantidad restante en el otro lado (el detector) se puede medir, es posible calcular cuántas de estas transiciones tienen lugar, y así obtener una señal que es proporcional a la concentración del elemento que se mide. 5.4 RESULTADOS El espectro de AA de un elemento consta de líneas que son el resultado de transiciones electrónicas desde el estado basal a niveles superiores de energía. Debido a que las bandas son tan estrechas, la fuente de radiación debe producir bandas muy estrechas, puesto que si diera bandas amplias o radiación continua, la mayor parte de la luz pasaría sin ser absorbida. Además debe emitir radiación exactamente de la misma longitud de onda de la línea de resonancia del elemento en estudio. 5.5 APLICACIONES La absorción atómica es una técnica capaz de detectar y determinar cuantitativamente la mayoría de los elementos químicos, por lo que sus campos de aplicación son variados. Este método se puede aplicar para la determinación de ciertos metales tales como: antimonio, cadmio, calcio, cesio, cromo, cobalto, oro, plomo, níquel, entre otros. Se emplea en análisis de agua, de suelos, bioquímica, toxicología, medicina, industria farmacéutica, alimenticia, petroquímica, etc. El instrumental empleado en estos análisis es un Espectrómetro de Absorción Atómica. Este equipo generalmente está compuesto por una lámpara del tipo cátodo hueco, un quemador o mechero, compuesto a su vez por un nebulizador de la muestra, y dispositivos selección de longitudes de onda (monocromador tipo rejilla de difracción), transducción y amplificación (tubo fotomultiplicador) y lectura de la señal. 35
  • 36. Análisis Instrumental 5.6 APLICACIONES AGROINDUSTRIALES El servicio de espectroscopia de absorción atómica en las industrias agroalimentarias es de gran importancia para llevar a cabo funciones como las siguientes:  Estimación de contaminaciones por oligoelementos  Análisis de elementos químicos mayores (Fe, Ca, Al, etc.) en vinos y aceites  Estimación de contaminación de alimentos por microorganismos  Determinación de la composición cárnica de embutidos y conservas  Estudios de citotoxicidad de conservantes y aditivos  Análisis de composición y control de calidad de derivados del petróleo 36
  • 37. Análisis Instrumental 6. PLASMA ACOPLADO POR INDUCCIÓN 6.1 FUNDAMENTO Por definición un plasma es una mezcla gaseosa conductora de electricidad que contiene una concentración significativa de cationes y electrones (la concentración de ambos es tal que la carga neta se aproxima a cero). La ICP, es quizás la fuente que ofrece mayores ventajas en relación con la sensibilidad y la ausencia de interferencias. Tal vez la más importante de las ventajas que ofrece las fuentes de plasma es la mayor reproducibilidad de las condiciones de atomización, lo que con frecuencia da lugar a precisiones mejores por un factor de 10 o más. Este procedimiento requiere de la descomposición de las muestras que permitan la obtención de disoluciones normalmente acuosas para la inyección en la fuente. El plasma de acoplamiento inductivo es un tipo de flama que alcanza temperaturas mucho más altas que las de las flamas de combustión ordinarias, y es útil para la espectroscopia de emisión. Su alta temperatura y gran estabilidad eliminan muchas interferencias y fuentes de error que se tiene con las flamas ordinarias. Debido a estas características deseables, el plasma de acoplamiento inductivo empieza a sustituir a las flamas de mechero ordinario. L desventaja principal de los equipos de plasma es el costo de adquisición y de operación. EL método analítico de Inducción de Plasma Acoplada es una técnica usada para detectar las trazas de metales en muestras provenientes del medio ambiente. La meta del ICP es hacer que los elementos emitan su onda específica de luz la cual puede ser medida. La tecnología para el método ICP fue empleada por primera vez en 1960 con la intención de mejorar el estudio de crecimiento de cristales. 6.2 EQUIPO: ESPECTRÓMETRO DE EMISIÓN Los instrumentos para la espectroscopia de emisión son básicamente de dos tipos, secuenciales y multicanal. Los primeros que son menos complejos y en consecuencia a menudo más baratos, miden las intensidades de línea una por una. Los instrumentos secuenciales, con frecuencia se programan para ir de la línea de un elemento a otro. Por el contrario los instrumentos multicanal se diseñan para medir simultáneamente las intensidades de las líneas de emisión de un gran número de elementos a veces hasta 60. Los instrumentos de emisión característicos tienen dispersiones que van desde 0,1 a 0,6 nm /mm y longitudes focales de 0,5 a 3 m 37
  • 38. Análisis Instrumental http://www.google.com.co/images?hl=es&q=plasma acoplado por induccion&um=1&ie=UTF8&sou Este constituye un esquema de una fuente de plasma acoplado inductivamente denominado antorcha. Consiste en tres tubos concéntricos de cuarzo a través de los cuales fluye una corriente de argón con un caudal total comprendido entre 11 y 17 L/min. El diámetro del tubo más grande es aproximadamente de 2,5 cm. Típica fuente de plasma acoplado inductivamente. SKOOG 4ED PÁG. 275 38
  • 39. Análisis Instrumental Esquema de un policromador de ICP SKOOG 5 ED PAG 254 6.3 PRINCIPIO FÍSICO Se puede generar un plasma acoplado por inducción al dirigir la energía de un generador de frecuencia de ondas de radio hacia un gas apropiado, comúnmente argón ICP.Este inductor genera rápidamente un campo magnético oscilante orientado al plano vertical (axial o perpendicular) de la espiral. La ionización del gas argón entrante se inicia con una chispa de la llamada espiral de Tesla. Los iones resultantes y sus electrones asociados luego interactúan con el campo magnético fluctuante. Esto genera energía suficiente para ionizar átomos de argón por excitación de choque. Los electrones generados en el campo magnético son acelerados perpendicularmente hacia la antorcha. A altas velocidades, los cationes, aniones y electrones conocidos como corriente turbulenta (Corriente de Eddy), colisionarán con los átomos de argón para producir mayor ionización, lo que produce un gran aumento de temperatura. En 2 microsegundos, se crea un estado estable con alta densidad electrónica. Se produce plasma en la parte superior de la antorcha. La temperatura en el plasma varía entre 6000-10000 K, usualmente 8.000 K. Una larga y bien definida cola emerge desde la parte superior de la antorcha. Esta antorcha de alta intensidad luminosa es la fuente espectroscópica que permite la técnica analítica. La misma contiene todos los átomos del analito y los iones que fueron excitados por el calor del plasma. Las ventajas analíticas del ICP -Plasma Acoplado por Inducción yace en su capacidad de analizar una gran cantidad de analitos en un período corto con muy buenos límites de detección para la mayoría de los elementos. Los elementos pueden ser analizados en forma axial para bajos límites de concentración, o radial para elevadas concentraciones. La variante de análisis axial está definida en el área del óptico perpendicular a la antorcha 39
  • 40. Análisis Instrumental 6.4 RESULTADOS Un plasma característico tiene un núcleo no transparente, blanco brillante y muy intenso, que termina en una cola en forma de llama. El núcleo, que se extiende algunos milímetros por encima del tubo consiste en una emisión continua a la que se superpone el espectro atómico del argón. El origen de la emisión continua proviene aparentemente de la recombinación de los electrones con el argón y otros iones. En la zona situada entre 10 y 30 mm por encima del núcleo, la emisión continua se desvanece y el plasma es ópticamente transparente. Las observaciones espectrales por lo general se hacen a una altura de 15 a 20 mm por encima de la boina de inducción. En esta zona de radiación de fondo está claramente libre de las líneas del argón y resulta adecuada para el análisis. La mayoría de las líneas más sensibles de los analitos en esta zona del plasma provienen de iones tales como Ca+, Ca+2, Cd+, Cr+2 y Mn+2 Las curvas de calibrado en ICP, consisten la mayoría de las veces en una representación gráfica de la intensidad de corriente o de la tensión de salida del detector en función de la concentración del analito. Con frecuencia las curvas de calibrado son lineales, sin embargo se encuentran desviaciones de la linealidad cuando se cubren intervalos grandes de concentración Dado que los espectros de ICP para muchos elementos son muy ricos en líneas, se producen interferencias espectrales debido a solapamiento de líneas. Evitar este error requiere conocer todos los componentes que previsiblemente están presentes en la muestra. Es de destacar que para niveles de diez partes por billón o menos se pueden detectar más elementos mediante excitación con plasma que con otros métodos de emisión o absorción. Curva de calibración con una fuente de plasma acoplado inductivamenteSKOOG 4ED PAG 285 40
  • 41. Análisis Instrumental 6.5 APLICACIONES Las fuentes de plasma presentan algunas ventajas con respecto a los métodos de llama y electro térmicos. Entre estas se encuentra la menor interferencia entre elementos, que es una consecuencia directa de sus temperaturas más elevadas. También se pueden obtener buenos espectros para la mayoría de los elementos con unas mismas condiciones de excitación; en consecuencia es posible registrara simultáneamente los espectros para decenas de elementos. Esta propiedad tiene especial importancia en el análisis multielemental de muestras muy pequeñas. Otra ventaja de esta técnica, es que permite la determinación de bajas concentraciones de elementos que tienden a formar compuestos refractarios (esto es, compuestos que son muy resistentes a la descomposición térmica o por tratamientos rigurosos) tales como boro, fosforo, tungsteno, uranio, circonio y niobio. Por otra parte las fuentes de plasma permiten la determinación de no metales como cloro, bromo, yodo y azufre. El ICP se puede usar para el análisis cuantitativo en las siguientes áreas: Materiales naturales como rocas, minerales, tierra, aire sedimentado, agua, tejidos de planta y animales, en las áreas de geoquímica, mineralogía, agricultura forestación, cría de animales, ecología química, ciencias ambientales, industrias alimenticias, distribución y purificación de agua, para identificar Sulfuro, Boro, Fósforo, Titanio, y Zirconio, que no se pueden identificar por el método AAS. En las Matrices Ambientales, las cuales pueden contener bajas concentraciones y pocos elementos interferentes, han presentado dificultades históricas al determinar análisis de muestras. El ICP - MS fue desarrollado en 1980 y ha sido utilizado de manera exponencial en el medio ambiental gracias a su alta sensibilidad y a sus capacidades multielemental. El ICP ofrece la posibilidad de determinar de manera simple y directa algunos de los elementos de la tierra, como el boro, el fósforo, y el molibdeno, a niveles no accesibles usando otros métodos. . El ICP - AES ha sido grandemente utilizado desde 1970 por su análisis múltiple simultáneo de muestras provenientes del área biológica y del medio ambiente, después de la disolución. Su excelente sensibilidad y su amplio rango de trabajo para demasiados elementos, así mismo en conjunto con su interferencia de bajo nivel, lo hacen al método ICP - AES un método ideal. El muestreo vía láser en conjunto con el ICP, hacen una forma de burlar los procedimientos de disolución necesarios de muestras sólidas antes de determinar los elementos. 6.6 APLICACIONES AGROINDUSTRIALES Las fuentes de plasma son ricas en líneas de emisión características, lo que hace que sean útiles para el análisis elemental tanto cualitativo como cuantitativo. Esta se utiliza principalmente para el análisis cuantitativo y cualitativo de muestras que están disueltas o en suspensión en disolventes acuosos u orgánicos tales como gelatinas, salmueras, aceites, encurtidos, emulsiones y demás que son aplicables básicamente en la industria alimentaria, en la preparación y conservación de productos alimentarios de origen animal y vegetal. 41
  • 42. Análisis Instrumental 7. RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR 7.1. FUNDAMENTO DE LA TÉCNICA La espectroscopia de RMN es una de las principales técnicas empleadas para obtener información física, química, electrónica y estructural sobre moléculas. Es una poderosa serie de metodologías que proveen información sobre la topología, dinámica y estructura tridimensional de moléculas en solución y en estado sólido. Las bases teóricas de RMN se propusieron en 1942 por W. Pauli, quien sugirió que ciertos núcleos atómicos podrían tener espín y momento magnético y que como consecuencia al exponerlos a un campo magnético se produciría un desdoblamiento de sus niveles de energía. La espectroscopia de resonancia magnética nuclear se basa en la medida de la absorción de radiación electromagnética en la región de las radiofrecuencias aproximadamente de 4 a 600 MHz Es una de las técnicas más potentes con las que se dispone para la elucidación de estructuras, tanto especies orgánicas como inorgánicas. Así como para la determinación cuantitativa de las especies absorbentes. Son tres las condiciones esenciales: 1) Existencia de subniveles energéticos. 2) Suministrar energía a los núcleos en estado de más baja energía en forma de radiación electromagnética capaz de ser absorbida. 3) Una manera de disipar la energía absorbida. Existen cuatro tipos de RMN: 1) Espectroscopia de RMN con onda continúa En la RMN de CW las señales del espectro se registran como señales en resonancia. La espectroscopia CW está limitada por su baja sensibilidad, ya que cada señal se registra una sola vez por cada barrido y la técnica de resonancia magnética nuclear ya es de por sí no demasiado sensible; esto quiere decir que la técnica sufre de una baja relación señal-ruido. 2) Espectroscopia de RMN de pulsos y transformada de Fourier La técnica de RMN con transformada de Fourier (FT-NMR) es la que se utiliza en los espectrómetros actuales. FT-NMR permite disminuir drásticamente el tiempo que requiere adquirir una acumulación (scan) del espectro completo de RMN. En vez de realizar un barrido lento de la frecuencia, una en cada instante, esta técnica explora simultánea e instantáneamente todo un rango de frecuencias. 3) RMN multidimensional En un experimento de RMN multidimensional la secuencia de pulsos debe constar de al menos dos pulsos y éstos deben separados por un periodo de espera incrementable. La secuencia de pulsos se repite un número de veces adquiriéndose una FID en cada ocasión 42
  • 43. Análisis Instrumental 7.2. EQUIPO: ESPECTRÓMETRO RMN Los espectrómetros de resonancia magnética nuclear que se comercializan son de dos tipos: de líneas anchas y de alta resolución. Los instrumentos de líneas anchas tienen imanes con fuerzas de unas pocas décimas de tesla y son considerablemente mas simples y mas baratos que los instrumentos de alta resolución. Los instrumentos de alta resolución emplean imanes con fuerzas que oscilan entre 1.4 y 14 T, que corresponden a frecuencias de 60 a 600 MHz www.wikipedia.com Un espectrómetro de RMN consta de las siguientes partes fundamentales: 1. Un imán que genere un campo magnético estable, el cual puede ser de una intensidad variable, definiendo la frecuencia de resonancia de cada núcleo. Generalmente se identifica cada espectrómetro por la frecuencia de resonancia del protón. 2. Una sonda, que se sitúa dentro del imán, en la que se introduce la muestra y que consta de las bobinas responsables de emitir y recibir las radiofrecuencias (RF). El número de bobinas y su disposición determinan el tipo y las aplicaciones de cada sonda. 3. Una consola en la que se generan los pulsos de RF y se controla el resto de la parte electrónica del espectrómetro 4. Un ordenador que sirve de interfaz con el espectrómetro y con el que se analiza toda la información obtenida. 43
  • 44. Análisis Instrumental Diagrama de bloques de un espectrómetro RMN con transformada de Fourier 7.3. PRINCIPIO FÍSICO El término resonancia magnética nuclear procede del hecho de que los núcleos están en resonancia con la radiofrecuencia o la radiación rf. Es decir, los núcleos pasan de un estado de espín a otro como respuesta a la radiación rf a la que son sometidos.(ESPECTROSCOPIA) Cuando se sitúan dentro de un campo magnético, los núcleos activos de RMN (como el 1 H, o el 13 C) absorben a una frecuencia característica del isótopo. La frecuencia de resonancia, la energía de la absorción y la intensidad de la señal son proporcionales a la fuerza del campo magnético. El campo magnético se mantiene constante mientras un breve pulso de radiación rf excita a todos los núcleos simultáneamente. Como el corto pulso de radiofrecuencia cubre un amplio rango de frecuencias los protones individualmente absorben la radiación de frecuencia necesaria para entrar en resonancia (cambiar de estado de espín). A medida que dichos núcleos vuelven a su posición inicial emiten una radiación de frecuencia igual a la diferencia de energía entre estados de espín. La intensidad de esta frecuencia disminuye con el tiempo a medida que todos los núcleos vuelven a su estado inicial. Un ordenador recoge la intensidad respecto al tiempo y convierte dichos datos en intensidad respecto a frecuencia, esto es lo que se conoce con el nombre de transformada de Fourier (FT-RMN). 44
  • 45. Análisis Instrumental 7.4. RESULTADOS Existen varios tipos de espectros de RMN, en función de la clase de instrumento utilizado, del tipo de núcleo implicado, del estado físico de la muestra, del entorno del núcleo en el analito y del uso que se vaya a hacer de los datos. Sin embargo, la mayoría de los espectros de RMN se pueden clasificar como de línea ancha o bien de alta resolución. 7.4.1 Espectros de líneas anchas Los espectros de líneas anchas son aquellos en los que la anchura de banda de la fuente de líneas es suficientemente grande como para enmascarar la estructura fina debida al entorno químico. Los espectros de líneas anchas son útiles para la determinación cuantitativa de isotopos y para estudiar el entorno químico de las especies absorbentes. Los espectros de líneas anchas se obtienen por lo general en campos magnéticos relativamente bajos. 7.4.2 Espectros de alta resolución Los espectros RMN mas utilizado son los de alta resolución, en los cuales se utilizan instrumentos capaces de distinguir diferencias de frecuencia muy pequeñas (0.01 ppm o menos). En consecuencia para un isotopo determinado, se encuentran por lo común varios picos como consecuencia de los efectos del entorno químico. 45
  • 46. Análisis Instrumental 7.4.3 Espectros de 13C del adamantano cristalino: a) Sin rotación ni desacoplamiento del protón b) Sin rotación pero con desacoplamiento dipolar y polarización cruzada c) Con rotación de ángulo mágico pero sin desacoplamiento dipolar ni polarización cruzada d) Rotación con ángulo mágico, desacoplamiento dipolar y polarización cruzada. 7.5. APLICACIONES Puede utilizarse, entre otras cosas, para estudiar mezclas de analitos, para comprender efectos dinámicos como el cambio en la temperatura y los mecanismos de reacción, y es una herramienta de valor incalculable para la comprensión de la estructura y función de las proteínas y los ácidos nucleícos. Este tipo de espectrometría se puede aplicar a una amplia variedad de muestras, tanto en solución como en estado sólido. 46
  • 47. Análisis Instrumental 7.5.1 Identificación de compuestos La aplicación más importante de la espectroscopia de RMN es la identificación y la elucidación estructural de moléculas orgánicas, organometálicas y bioquímicas. Además, este método constituye muchas veces un procedimiento útil para la determinación cuantitativa de las especies que absorben. La RMN pocas veces se basta de si misma para la identificación de un compuesto orgánico. Sin embargo, si se utiliza junto con otras informaciones tales como, el análisis elemental, y los espectros ultravioleta, infrarrojo y de masas, la RMN es un instrumento importante para caracterizar a los compuestos puros. 7.5.2 Análisis cuantitativo de RMN Una singularidad de los espectros de RMN es la directa relación entre las áreas de los picos y el número de núcleos responsables de la aparición del pico. Por lo tanto para la determinación cuantitativa de un compuesto específico no requiere muestras puras del compuesto para la calibración. Siempre que se conozca el área de la señal por protón se puede establecer directamente la concentración de la especie. El uso de la resonancia magnética nuclear para el análisis cuantitativo no se ha generalizado por el coste de los instrumentos. Además, la probabilidad de que los picos de resonancia se superpongan se hace mayor al aumentar la complejidad de la muestra. En muchas ocasiones los análisis que son posibles por RMN pueden hacerse mas cómodamente por otras técnicas. 7.5.2.1 Análisis cuantitativo de grupos funcionales De las aplicaciones con mayor utilidad de la resonancia magnética nuclear ha sido la determinación de grupos funcionales tales como los grupos hidroxilo en alcoholes y fenoles, aldehídos, ácidos carboxílicos, olefinas, hidrógenos acetilénicos, aminas y amidas. Los errores relativos encontrados han sido del orden del 1 al 5%. 7.5.2.2 Análisis elemental La espectroscopia de RMN se puede emplear para determinar la concentración total de un tipo dado de núcleo magnético en una muestra. Para el análisis se puede emplear un espectrómetro de baja resolución o de línea ancha. Más de 200 isotopos poseen momentos magnéticos y por tanto en principio, pueden estudiarse por RMN. Entre los núcleos mas frecuentemente estudiados se encuentran 31P, 15N, 19F, 2D, 11B, 23Na, 15N, 29Si, 109Ag, 199Hg, 113Cd y 207Pb; los tres primeros son especialmente importantes en los campos de la química orgánica, la bioquímica y la biología. Las aplicaciones de la RMN de estado sólido suelen utilizarse en investigaciones sobre proteínas de la membrana, fibrillas de proteínas, todo tipo de polímeros, análisis en química inorgánica, y también otras más "exóticas" como las hojas de plantas y las pilas de combustible. 47
  • 48. Análisis Instrumental 7.6. APLICACIONES AGROINDUSTRIALES El servicio de Resonancia Magnética Nuclear en las industrias agroalimentarias es de gran importancia para llevar a cabo funciones como las siguientes:  Análisis de elementos químicos mayores (Fe, Ca, Al, etc.) en vinos y aceites  Determinación de metanol en vinos  Determinación de ácidos grasos y grasas 48
  • 49. Análisis Instrumental 8. CROMATOGRAFÍA EN CAPA FINA 8.1. FUNDAMENTO Las separaciones en capa fina características se realizan en placas de vidrio o plástico que se recubren con una capa delgada y adherente de partículas finamente divididas; esta capa constituye la fase estacionaria. Las partículas son semejantes a las descritas cuando se ha tratado de la cromatografía en columna de absorción, de reparto en fase normal y en fase inversa, de intercambio iónico y de exclusión por tamaño. Las fases móviles también son similares a las empleadas en la cromatografía de líquidos de alta eficacia en columna. 8.1.1 Preparación de placas de capa fina Una placa de capa fina se prepara extendiendo una suspensión acuosa de un sólido finamente dividido sobre la superficie de una placa limpia de vidrio o de plástico o un porta de microscopía. A menudo se, se añade a la suspensión un ligante para aumentar la adhesión de partículas del solido al vidrio y entre sí. La placa se deja luego en reposo hasta que se forme una capa adherente en su superficie; algunas veces se debe calentar en un horno durante varias horas. 8.1.2 Desarrollo cromatográfico El desarrollo cromatográfico en una placa es el proceso por el cual una muestra migra a lo largo de la fase estacionaria por acción de la fase móvil; es semejante a la elución en cromatografía de líquidos. El modo más habitual de llevar a cabo el desarrollo cromatográfico en una placa es depositando una muestra cerca de un extremo de la placa (la mayoría de las placas tienen dimensiones de 5x20 ó 20x20cm) y marcar su posición con un lápiz. Después que se ha evaporado el disolvente de la muestra, se introduce la placa en un recipiente cerrado saturado con vapores del eluyente. Se sumerge un extremo de la placa en el eluyente, cuidando que la muestra no esté en contacto con el eluyente. Cuando el eluyente ya ha recorrido la mitad o dos tercios de la placa, se saca éste del recipiente y se seca. La posición de los componentes se puede determinar a continuación de diferentes formas. Figura 28-12 (a) cámara de desarrollo de flujo ascendente. (b) cámara de desarrollo de flujo horizontal: 49
  • 50. Análisis Instrumental Se ponen muestras en los dos extremos de la placa y el desarrollo es hacia el centro, con lo que se duplica el número de ensayos posibles. Figura 28-13 Cromatografía bidimensional (sílica gel) de algunos aminoácidos. Disolvente A: tolueno/2-cloroetanol/piridina. Disolvente B: cloroformo /alcohol bencílico/ácido acético. Aminoácidos (1) ácido aspártico, (2) ácido glutámico, (3) serina, (4) -alanina, (5) glicina; (6) alanina, (7) metionina, (8) valina, (9) isoleucina (10) cisteína. 50
  • 51. Análisis Instrumental 8.2. EQUIPO: CROMATÓGRAFO EN CAPA FINA Equipo para desarrollo de Cromatografía en capa fina http://www.laseqa.org/instal_cromacf.html 8.3. PRINCIPIO FISICO Una de las ventajas de la cromatografía en capa fina es que no requiere un gran dispositivo instrumental. Dispositivo de cromatografía en capa fina en modalidad ascendente. 51
  • 52. Análisis Instrumental Vista frontal de una placa de TLC en el momento de inicio de la cromatografía (a), durante el desarrollo (b) y al final de la misma (c). El punto donde se deposita la muestra se denomina origen. A continuación, la placa se pone en contacto con la fase móvil dentro de un recipiente cerrado. La fase móvil ha de contactar con la placa por debajo del punto donde se depositó la muestra. La fase móvil asciende por capilaridad por la placa y cuando llega al origen arrastra la muestra. Los diferentes analitos de la muestra tendrán diferentes afinidades por la fase estacionaria. Los analitos más afines a la fase estacionaria serán más retenidos y avanzarán más despacio que los analitos menos afines, que se moverán más rápidamente. Al final del proceso, los componentes de la muestra se habrán separado sobre la base de las diferencias de afinidad por la fase estacionaria. También existe la TLC descendente. Básicamente se opera de manera similar, pero en este caso la placa con la fase estacionaria se coloca entre dos soportes con un ángulo de unos 45°. La parte superior de la placa está en contacto con el papel filtro sumergido en un depósito de fase móvil. El disolvente pasa por capilaridad a la placa y baja a través de de ella por gravedad. Dispositivo de cromatografía en capa fina modalidad descendente. Las fases estacionarias más utilizadas son: a) gel de sílice (utilizada aproximadamente el 80% de las separaciones de TLC); b) alúmina; c) silicato de magnesio; d) tierra silícea o Kieselguhr; y e) poliamidas. Podemos resumir la situación de una separación en TLC diciendo que la fase estacionaria es más polar que la fase móvil, que estará compuesta por mezclas de disolventes orgánicos de diferente polaridad. Los analitos más polares quedarán más retenidos por la fase estacionaria que los menos polares. No es posible alterar el orden de elución de los analitos sin cambiar su afinidad por la fase estacionaria. 52
  • 53. Análisis Instrumental Para análisis cualitativos de las posiciones de los analitos tras una separación de TLC se utiliza el parámetro denominado factor de retención o . El se calcula como: El se utiliza para definir la posición de las bandas y comparar diferentes condiciones de trabajo. Concepto de factor de retención. Cada sustancia presenta un factor de retención característico para unas condiciones dadas, por lo que la comparación del de las manchas de la muestra con los de sustancias patrones conocidas podrá servir para identificar la presencia de sustancias en las muestras analizadas. No obstante una de las limitaciones de TLC es que presenta relativamente baja resolución y varias sustancias pueden tener valores de muy similares, por lo que nunca debe usarse el como único factor para asegurar la presencia de un compuesto en una mezcla. 8.4. RESULTADOS La figura muestra el aspecto ideal que puede presentar una placa tras el desarrollo. La muestra 1 estaba constituida por dos componentes, mientras que la 2 sólo uno. En muchas ocasiones, las manchas reales sobre una placa presentan colas, lo que origina manchas que no son tan simétricas. 53
  • 54. Análisis Instrumental Cromatogramas de capa fina. (SKOOG D., HOLLER J., NIEMAN T., 2000, PÁG. 826) 8.5. APLICACIONES La cromatografía en capa fina (TLC) ha sido aplicada para analizar analitos como productos farmacéuticos, lípidos, ácidos orgánicos, carbohidratos, amino-ácidos, péptidos, fenoles, índoles, purinas, esteroides, vitaminas, compuestos quirales, etc. Ello hace que se utilice con frecuencia para análisis químicos en campos como toxicología, química orgánica, Bioquímica, Biología, Industria, agricultura, medioambiente, alimentación, farmacia, estudios clínicos, productos naturales, etc. La técnica de TLC se aplica sobre todo a: a) Detección cualitativa rápida de analitos; b) Determinación semicuantitativa de analitos; c) Aislamiento y purificación parcial de analitos o familias de analitos de una muestra. 8.5.1 Detección cualitativa rápida de analitos La TLC no permite habitualmente separaciones de alta resolución ni de alta especificidad. Sin embargo; es una técnica muy útil para el control de los contenidos de una muestra de forma rápida y sencilla. 8.5.2 Determinación semicuantitativa de analitos El análisis cuantitativo de TLC no es tan preciso como el de la cromatografía de líquidos o de gases. El mayor factor de error en la cuantificación de la muestra es la aplicación de la misma. Se ha de aplicar la muestra (unos pocos µL) con la suficiente precisión como para que la cuantificación sea fiable. 54
  • 55. Análisis Instrumental Una aproximación que mejora la cuantificación consiste en cortar con una cuchilla la porción de gel de sílice donde se halla el analito. Tras ello, la superficie cortada se trata con disolvente para liberar el compuesto y la mezcla se centrífuga para eliminar el gel de sílice. De ésta manera se obtendrá el analito en disolución separado de la sílice. Sobre ésta preparación se puede medir con más precisión fluorescencia, absorbancia o cualquier otra propiedad. De cualquier modo, la precisión y la reproducibilidad de la cuantificación continúan condicionada por la aplicación de la muestra. 8.5.3 Aislamiento y purificación parcial de analitos o familias de analitos de una muestra La TLC se puede utilizar para fraccionar la muestra y separa un analito (o familia de analitos) de una matriz compleja. Para ello, se procede de manera idéntica a lo descrito en el párrafo anterior. Para asegurar la extracción del componente que queremos extraer es muy importante la selección de la zona del gel sobre la que se actúa. No podemos hacer revelados que destruyan o modifiquen el analito, por lo que la visualización de sustancias fluorescentes con una lámpara de luz UV será una técnica apropiada de detección. En caso de no disponer de una técnica de identificación de la zona de interés, se dividirá la placa en varias zonas y el tratamiento se aplicará a cada una de ellas. 8.6. APLICACIONES AGROINDUSTRIALES Algunas de las aplicaciones que tiene la cromatografía de capa fina en alimentos son la determinación de sulfonamidas en hígado y músculo de bovinos, ovinos, equinos, porcinos y aves por cromatografía capa fina-densitometría, se establece con el fin de asegurar a los consumidores el suministro de alimentos que no rebasen los límites máximos permisibles de este tipo de productos. Ciertas funciones se realizan con el fin de tener en cuenta que el consumo de alimentos contaminados de origen animal implica diversos riesgos para la salud humana que dependen de la presencia de los residuos nocivos, que entre los beneficios que reporta el hecho de aplicar las pruebas que permiten la detección de este tipo de residuos, se encuentra el de participar con mayor confianza en el comercio internacional de alimentos, contando de esta forma con las bases suficientes para certificar la inocuidad de los productos alimenticios cárnicos, tanto importados como exportados. Una de las aplicaciones de la cromatografía de capa fina al campo textil es en el campo de los colorantes, en los cuales se logran separaciones insospechadas y en tiempos de 15-30 minutos, pero su utilidad no se ciñe a la separación de colorantes sino también a productos auxiliares de todo tipo, hidrolizados de fibras naturales del tipo de Mohair, Lana, etc. productos naturales extraídos de la lana (lanolina, colesterol, lanosterol), fungicidas bactericidas, blanqueadores ópticos, etc. 55
  • 56. Análisis Instrumental 9. CROMATOGRAFÍA LÍQUIDA DE ALTA RESOLUCIÓN En una primera etapa, la cromatografía de líquidos se realizaba en columnas de vidrio con diámetros de 1 a 5 cm y longitudes de 50 a 500cm; en este tipo de columnas realizó Tswett sus trabajos originales. Para asegurar unos caudales razonables, el diámetro de las partículas de la fase estacionaria sólida por lo general era de 150 a 200µm. Incluso así, los caudales eran bajos, llegando a unas pocas décimas de milímetro por minuto. En consecuencia, los tiempos de separación eran largos. Los intentos para acelerar el procedimiento clásico mediante la aplicación del vacío, o por bombeo no resultaron efectivos puesto que el aumento de caudal originaba un aumento de la altura de plato por encima del mínimo característico. En las primeras etapas del desarrollo de la cromatografía de líquidos, los científicos se dieron cuenta de que se podían conseguir grandes aumentos en eficacia de la columna disminuyendo el tamaño de las partículas de los rellenos. Sin embargo, no fue sino hasta finales de los años sesenta cuando se desarrolló la tecnología adecuada para producir y utilizar rellenos de tamaño de partícula del orden de los 3 a 10µm. Esta tecnología requiere una instrumentación sofisticada, que contrasta con las simples columnas de vidrio de la cromatografía de líquidos clásica. Para distinguir estos procedimientos de los métodos básicos, que todavía se utilizan con fines preparativos, se emplea la denominación de Cromatografía de líquidos de alta resolución (HPLC). 9.1 FUNDAMENTO DE LA TÉCNICA El HPLC (HIGH PERFORMANCE LIQUID CROMATOGRAPHY) o Cromatografía liquida de alta resolución, es una técnica cromatográfica usada para separar componentes usando una variedad de interacciones químicas entre el analito y la columna cromatográfica. Básicamente es un sistema compuesto de un reservorio de fase móvil, bomba, inyector, columna de separación y detector. El analito se pasa a través de una columna de la fase estacionaria bombeando la fase móvil liquida con alta presión. La muestra se introduce en pequeños volúmenes a la corriente de la fase móvil y allí se retarda por medio de interacciones químicas con la fase estacionaria mientras atraviesa la columna.El retardo se conoce como tiempo de retención, único para cada analito. Depende de la naturaleza del analito, de la fase estacionaria y de la composición de la fase móvil. Los solutos más comunes usados en la fase móvil son combinaciones de agua purificada con líquidos orgánicos, los más comunes son Metanol y Acetonitrilo, también suelen usarse sales y bufferes para contribuir a la separación de componentes. También se usa el Ácido Trifluoroacetico para actuar como formador de pares iónicos. Estas combinaciones introducen el concepto de gradiente de elución. Consiste en la variación de la composición de la fase móvil, para adaptarse a los diferentes analitos y conseguir mejores resultados. El gradiente separa la matriz del analito en función de la afinidad del analito por la composición de la fase móvil. Cada analito tiene un gradiente de elución óptimo para obtener la máxima separación de picos en el detector. 56
  • 57. Análisis Instrumental 9.2 EQUIPO: CROMATÓGRAFO HPLC Esquema de un aparato de HPLC. (Cortesía de Perkin-HelmerCorporation, Norwalk, CT) Equipo para cromatografía de líquidos de alto rendimiento: (a) Integrador y graficador computarizados. (b) Dispositivo de control del detector. (c)Detector de UV. (d) Modulo de control, que incluye la bomba, la columna y el inyector. (e)Sistema de suministro programable con tres depósitos para solventes. (Cortesía de SpectraPhysics, Santa Clara, Calif.) 9.3 PRINCIPIO FÍSICO Existen varios tipos de HPLC: 9.3.1 Cromatografía de fase normal Fue el primer tipo de HPLC, separaba analitos basándose en la polaridad. Este método usa una fase estacionaria polar y una fase móvil no polar que se usa cuando el analito es polar. El 57
  • 58. Análisis Instrumental analitopolar es retenido por la fase estacionaria polar. La adsorción aumenta con la polaridad del analito y la interacción entre analito y fase estacionaria. Esto incrementa el tiempo de elución. La fuerza de interacción depende no solo de los grupos funcionales, sino también de factores estéricos e isómeros estructurales. El uso de disolventes polares disminuye el tiempo de retención, mientras que disolventes hidrófobos aumentan el tiempo de retención. Algunos solutos polares interaccionan con la fase estacionaria y desactivan la columna. 9.3.2 Cromatografía de fase inversa Este tipo de HPLC es el más común. En esta técnica se usa una fase estacionaria no polar y una fase móvil moderadamente polar. La fase estacionaria típica es silicio tratado con RMe 2SiCl, donde R es una cadena lineal con un grupo alcalino.La adición de disolventes polares incrementa el tiempo de retención y añadir disolventes hidrofóbicos lo disminuyen. El tiempo de retención es mayor para moléculas no polares. El principio básico de este método está basado en las interacciones del disolvente polar, el analito no polar y la fase estacionaria no polar. Las características del analito son importantes para sus propiedades de retención. Las moléculas muy grandes pueden causar que la interacción no sea completa. El tiempo de retención aumenta con el área hidrofobicidad, que es inversamente proporcional al tamaño del soluto. Los componentes ramificados eluyen más rápido porque el área total esta disminuida. Hay otros modificadores de la fase móvil que afectan a la retención del analito. Añadir sales inorgánicas causa incremento lineal en la tensión superficial de soluciones acuosas, incrementando el tiempo de retención. El pH también es importante porque modifica la hidrofobia del analito. Por eso se suele usar un buffer como fosfato sódico para controlar el pH. Un ácido orgánico como ácido fórmico o ácido trifluoracetico. Sirven para muchas cosas, controlan el pH, neutralizan cualquier carga residual del silicato en la fase estacionaria y actúa como formador de pares iónicos para neutralizar la carga del analito. Los efectos varían pero aumentan la calidad de la cromatografía. 9.3.3 Cromatografía de exclusión por tamaño También conocida como cromatografía de gel permeante o cromatografía de gel filtrante. Separa las partículas en función del tamaño. Es una cromatografía de baja resolución y sirve para determinar estructuras terciarias y cuaternarias de proteínas y es la técnica común para averiguar el peso molecular de polímeros sintéticos y naturales. 9.3.4 Cromatografía de intercambio iónico La retención está basada en la atracción entre iones del soluto y la carga complementaria de la fase estacionaria. Si los iones del soluto y la fase estacionaria tienen la misma carga, son excluidos.Los intercambiadores de iones favorecen la unión de iones de mayor carga y radio inferior. Un incremento en el contra-ión (con respecto a los grupos funcionales de resinas) reduce el tiempo de retención. Un incremento del pH reduce el tiempo de retención en el intercambio catiónico, pero bajar el pH reduce la retención en intercambio aniónico. 58
  • 59. Análisis Instrumental 9.3.5 Cromatografía de bioafinidad Se basa en las propiedades de sustancias bio-activas para formar complejos estables, específicos y reversibles. La formación de los complejos implica fuerzas moleculares como Van der Waals, electrostática, dipolo-dipolo, hidrofóbicas y puentes de hidrogeno. Una unión bioespecífica se forma por acción simultánea de estas fuerzas en los sitios de unión. 9.4 RESULTADOS La cromatografía de líquidos de alta resolución, ofrece resultados mediante el equipo, de tipo gráfico. En este tipo de análisis, se grafica en el eje X el tiempo de retención de la fase móvil por la fase estacionaria, y en el eje Y, una señal obtenida por un equipo que puede ser un espectrofotómetro, un espectrofotómetro de masas, o cualquier otro de los detectores. Este gráfico es llamado, cromatograma, el cual es el resultado de la cromatografía, y en el caso de que se haya hecho una óptima separación, los picos de la gráfica corresponden a los componentes de la mezcla separada. Cromatogramas de una misma muestra, obtenidos con partículas de sílice, de (a)10µm y (b)5µm de diámetro. (Tomado de R.E. Mayors, J. Chromatogr. Sci., 11,88 (1973)) 9.5 APLICACIONES Es incuestionable que la cromatografía de líquidos de alta resolución es la técnica de separación más ampliamente utilizado con unas ventas anuales de equipos de HPLC que se aproximan a la cifra del billón de dólares. Las razones de la popularidad de esta técnica son su sensibilidad, su fácil adaptación a las determinaciones cuantitativas exactas, su idoneidad para la separación de especies no volátiles o termolábiles y, sobre todo, su gran aplicabilidad a sustancias que son de primordial interés en la industria, en muchos campos de la ciencia y para la sociedad en general. Algunos ejemplos de esos materiales incluyen los aminoácidos, proteínas, ácidos nucleicos, hidrocarburos, carbohidratos, drogas, terpenoides, plaguicidas, antibióticos esteroides, especies organometálicas y una cierta variedad de sustancias inorgánicas. 59
  • 60. Análisis Instrumental Aplicaciones de la cromatografía de líquidos, SKOOG 4 ED, 1994. La figura anterior pone de manifiesto que los distintos procedimientos que utiliza la cromatografía de líquidos, tienden a ser complementarios por lo que a sus campos de aplicación se refiere. Así, para solutos con masas moleculares superiores a 10000, a menudo se utiliza la cromatografía de exclusión, aunque ahora también es posible tratar estos compuestos con cromatografía de reparto en fase inversa. Para especies iónicas de baja masa molecular se utiliza con frecuencia la cromatografía de intercambio iónico. Los métodos de reparto de aplican a las especies poco polares pero no iónicas. Además, este procedimiento se utiliza muchas veces para la separación de los integrantes de una serie homóloga. La cromatografía de adsorción se elige con frecuencia para separar especies no polares, isómeros estructurales y grupos de compuestos como por ejemplo, los hidrocarburos alifáticos de los alcoholes alifáticos. 9.6 APLICACIONES AGROINDUSTRIALES 9.6.1 Conservantes antioxidantes Se usa el gradiente de HPLC con un detector colorimétrico para medir simultáneamente los nueve antioxidantes más comunes. 9.6.2 Análisis de carbohidratos en bebidas La adición de mono y disacáridos a bebidas y zumos sirve como propósito de enriquecer el sabor. Para determinar si la cantidad añadida es correcta se miden los azucares usando HPLC de intercambio iónico con detección de pulso amperométrico con detectores de refracción o ultravioletas. 60
  • 61. Análisis Instrumental 9.6.3 Isómeros de carotenoides El HPLC en combinación con detectores calorimétricos permite el análisis de los carotenoides dietéticos en tejidos animales y vegetales. 9.6.4 Flavonoides y fenoles En el vino la medición de estas sustancias permite la determinación del color, la edad y las variedades de uva usadas. El HPLC en combinación con colorímetros, permiten la determinación de hasta 22 compuestos diferentes simultáneamente. 9.6.5 Lípidos La determinación de lípidos animales y vegetales como: colesterol, triglicéridos, glicéridos y esteroles, se basa en el uso del HPLC y un detector de Dispersión de Luz Evaporativa (ELS). 9.6.6 Ácidoslipoico y ácido dihidrolipoico en suplementos alimenticios Aún en estudio pero su detección combinando HPLC con detectores colorimétricos es importante ya que estos dos compuestos parecen importantes como antioxidantes y reguladores del ciclo celular. 9.6.7 Medición de nutrientes liposolubles en tabletas multivitamínicas El uso del HPLC permite la detección de múltiples vitaminas en alimentos suplementarios para neonatos. 9.6.8 4-Hidroxinonenal y otros aldehídos Se forman como resultado de peroxidación de lípidos, durante la cocción o podredumbre. Se usa HPLC con detectores de fluorescencia para detectar estas sustancias que son citotóxicas. 9.6.9 Surfactantes no iónicos La detección de estas sustancias es crucial puesto que están altamente reguladas debido a problemas medioambientales, se usa HPLC combinado con dispersión de luz evaporativa. 9.6.10 Carbohidratos simples Usar HPLC con ELSD elimina la necesidad de usar bases fuertes o alto pH, convirtiéndose en un método no destructivo. 9.6.11Contaminantes triptófanos El HPLC con ELSD y detectores colorimétricos permiten la detección de esta sustancia tóxica proveniente de plaguicidas 61
  • 62. Análisis Instrumental 10. CROMATOGRAFIA DE GASES 10.1 FUNDAMENTO La idea de esta técnica se basa en la volatilización de la muestra y su posterior inyección en la cabeza de una columna cromatográfica. Para la elución de la muestra se usa un gas inerte como fase móvil, de esta manera la fase móvil no interacciona con las moléculas del analito, simplemente transporta el analito a través de la columna. Existen dos tipos de cromatografía de gases (GC): Cromatografía gas-sólido (GSC): la fase estacionaria es sólida y la retención de los analitos se produce mediante adsorción. Cromatografía gas-líquido (GLC): la fase estacionaria son moléculas de líquido inmovilizadas sobre GSC la fase estacionaria es sólida y la retención de los analitos en ella se produce mediante el proceso de adsorción. Precisamente este proceso de adsorción, que no es lineal, es el que ha provocado que este tipo de cromatografía tenga aplicación limitada, ya que la retención del analito sobre la superficie es semipermanente y se obtienen picos de elución con colas. Su única aplicación es la separación de especies gaseosas de bajo peso molecular. La GC es un sistema compuesto de gas portador, sistema de inyección de muestra, columna (Generalmente dentro de un horno), y detector 10.2 EQUIPO: CROMATÓGRAFO DE GASES http://es.wikipedia.org/wiki/Cromatografia_de_gases 62
  • 63. Análisis Instrumental 10.3 PRINCIPIO FÍSICO El analito se inyecta usando una microjeringa en una cámara de vaporización instantánea sellada poruna junta de silicona (Septum). El analito debe ser introducido en pequeñas cantidades para asegurar elmejor análisis, si la columna es ordinaria el volumen es de unos 20 microlitros; si la columna es capilar elvolumen es menor de 10 -3 microlitros. Se usan divisores de flujo a la entrada de la columna para desecharanalito hasta alcanzar estos volúmenes. Las muestra sólidas deben introducirse en forma de disolución, eldisolvente se pierde en la cámara de vaporización y así no interfiere en la elución. 10.4 RESULTADOS La cromatografía de gases permite obtener resultados tanto cualitativos como Cuantitativos. Se utilizan fundamentalmente estas alternativas de separación: A mayor disolución, la separación de compuestos con estructura química similar se consigue utilizando tiempos relativamente largos. A menor disolución se realiza la separación rápida de mezclas de compuestos sencillos conocidos 10.5 APLICACIONES La cromatografía de gases tiene amplia aplicación, en las industrias se enfoca principalmente a evaluar la pureza de los reactantes y productos de reacción o bien a monitorear la secuencia de la reacción, para los fabricantes de reactivos químicos su aplicación para la determinación de la pureza es lo más importante. En la investigación es un auxiliar indispensable para diversas técnicas de evaluación, entre las principales están los estudios cinéticos, análisis de adsorción a temperatura programada, determinación de áreas específicas por adsorción de gas y determinación de isotermas de adsorción. En la industria del petróleo juega una función primordial, por medio de la cromatografía se pueden analizar los constituyentes de las gasolinas, las mezclas de gases de refinería, gases de combustión, etc. Las aplicaciones de la cromatografía son múltiples y la convierten en la técnica de análisis más poderosa que existe, su utilización requiere principalmente de constancia y entusiasmo. 10.6 APLICACIONES AGROINDUSTRIALES Caracterización de aceites esenciales: se basa en la detección de sustancias terpenicas responsables de propiedades aromáticas en los alimentos. Análisis de nitrosaminas en agua potable: las nitrosaminas son sustancias carcinógenas potenciales, se debe controlar su presencia en agua potable. Para esto se usa extracción de la fase sólida y GC con columna capilar. 63
  • 64. Análisis Instrumental Controles de alcoholemia: la GC se puede usar para determinar el volumen de alcohol en sangre. Determinación de trazas de pesticidas organo-fosforicos (OPP) en aceite de oliva: el GC en combinación con los detectores de ionización de llama permiten la detección de estos pesticidas, que a pesar de ser baratos y de amplio espectro, son causantes de problemas irreversibles en la actividad de los neurotransmisores. Contaminación por dioxinas: usando detectores de conductividad electrolítica, permite el análisis de residuos de dioxinas muy perjudiciales para la salud humana. 64
  • 65. Análisis Instrumental 11. CROMATOGRAFIA IONICA (CI) 11.1 FUNDAMENTO La cromatografía iónica es una vertiente de la cromatografía líquida. Es una técnica de separación basada en el principio de adsorción selectiva cuyo objetivo es separar los distintos iones en una solución y preparar el compuesto, molécula o iones a ser retenidos. las moléculas o compuestos cargados En toda cromatografía existe un contacto entre dos fases, una fija que suele llamarse fase estacionaria y una fase móvil que fluye permanente durante el análisis. La fase estacionaria consiste en resinas de intercambio iónico las cuales son matrices sólidas que contienen sitios activos con carga electrostática (positiva o negativa). De esta forma, la muestra queda retenida sobre el soporte sólido por afinidad electrostática. Dependiendo de la relación carga/tamaño unos constituyentes de la mezcla serán retenidos con mayor fuerza sobre el soporte sólido que otros, lo que provocará su separación. Las sustancias que permanecen más tiempo libre en la fase móvil, avanzan más rápidamente con el fluir de la misma y las que quedan más unidas a la fase estacionaria o retenidas avanzan menos y por tanto tardarán más en salir o fluir. Curva de calibración: grafico que representa el valor de alguna propiedad frente a la concentración (ppm, mg/L) del analito. Cuando se examina estas graficas se puede obtener o aproximar a la concentración del analito a partir del grafico o curva de calibración. Para el caso de (CI) se deberá construir una curva de calibración para cada analito en el intervalo de concentraciones de 1 a 20 ppm teniendo en cuenta las áreas y las alturas de las señales obtenidas para cada concentración. La (CI) en una variante también de la conocida cromatografía liquida de alta precisión (HPLC). Es un método eficaz para la separación y determinación de iones, basado en el uso de resinas de intercambio iónico. Cuando una muestra iónica atraviesa estas columnas, los iones presentes sufren una separación debido a las diferentes retenciones llevadas a cabo al interactuar .con la fase fija de las columnas analíticas. Una vez separada, la muestra pasa a través de un detector (conductimetrico, amperometrico, UV, etc.) donde se registra la señal obtenida al tiempo de retención. El resultado son una serie de cromatogramas donde la posición se los máximos indica el ion presente (carácter cualitativo) y su área indica la cantidad existente de dicho ion (carácter cuantitativo). El Servicio de Análisis del ICB dispone de un cromatógrafo iónico Metrohm con columna Metrosep A Supp 5 y detector conductimétrico, que se emplea en la determinación de fluoruros, cloruros, nitritos, nitratos, bromuros fosfatos y sulfatos. - Análisis de Cationes (Li+, Na+, NH4+, K+, Mg2+, Ca2+) en matrices acuosas. 65
  • 66. Análisis Instrumental - Análisis de Aniones (F-, Cl-, NO22-, Br-, NO33-, PO43-, SO42-) en matrices acuosas. 11.2 EQUIPO: COMATÓGRAFO IÓNICO 11.3 PRINCIPIO FISICO 11.3.1 Resinas de intercambio iónico Los intercambiadores iónicos son usados para la separación de sales (cationes y aniones) del agua. Las resinas de intercambio son materiales sintéticos, sólidos e insolubles en agua, que se presentan en forma de esferas o perlas de 0.3 a 12 mm de tamaño efectivo, aunque también las hay en forma de polvo para preparar en solución. Están compuestas de una alta concentración de grupos polares, ácidos o básicos, incorporados a una matriz (contenedor cromatográfico) de un polímero sintético (resinas estirénicas, resinas acrílicas, etc.) y actúan tomando iones de las soluciones (generalmente agua) y cediendo cantidades equivalentes a otros iones. La principal ventaja de las resinas de intercambio iónico es que pueden recuperar su capacidad de intercambio original ya que es una reacción de intercambio de iones en las moléculas o sustancias; por lo tanto se pueden tratar y recuperar mediante la adición de una solución especial. El intercambio por lo tanto es una reacción reversible, que tiene lugar cuando un ion de una disolución se intercambia por otro ion de igual carga que se encuentre unido por enlace iónico a una partícula solida inmóvil. Este proceso ocurre constantemente en la naturaleza, tanto en la materia inorgánica como en las células vivas. Por sus propiedades como disolvente y su utilización en diversos procesos industriales, el agua normalmente tiene muchas impurezas (aguas duras) y contaminantes. Las sales metálicas se disuelven en el agua separándose en iones, cuya presencia puede ser indeseable para algunos usos del agua. Las resinas de intercambio iónico poseen un radical fijo y un móvil (ion de sustitución). El ion móvil es intercambiado por iones que desean eliminarse de la solución y este intercambiado solo funciona entre iones de igual carga eléctrica; cationes por cationes y aniones por aniones. 66
  • 67. Análisis Instrumental En general, las resinas de intercambio iónico operan en columnas, para así favorecer el proceso de intercambio, parecido a la destilación o la destilación en bandejas. la reacción de intercambio se desplaza en el lecho de resina. Al producirse el intercambio iónico, la capacidad de resina comienza a decrecer debido a que posee una capacidad limitada para la remoción de iones de las soluciones y muestras analizadas y debido a esto, en un momento dado habrá cedido la mayoría de sus iones de sustitución y se producirá un cierto pase de iones no deseados en el agua producida y se dice que esta resina está agotada o saturada de los iones que ha atrapado. Por este motivo, cuando se diseña una columna de intercambio iónico, se establece a priori la concentración máxima admisible de iones indeseables en la salida del proceso. Cuando se llega a la concentración pre establecido se debe proceder a regenerar la resina, para reutilizarla en un nuevo ciclo. El tiempo de elusión (dato conocido), o tiempo que tarda un ion en pasar a través de la columna, varía para cada especie, lo cual implica que saldrán de la columna en momentos diferentes. En el extremo de la columna hay un sensor que mide la conductividad provocado por los iones que van saliendo, lo que está relacionado directamente a la concentración de cada especie. Finalmente, los datos son entregados en un gráfico tiempo v/s voltaje, en donde la concentración de iones en un momento determinado está representada por la altura y la anchura de los picos del gráfico, y puede ser correlacionada con la concentración de una especie en particular en la solución de muestra. 67
  • 68. Análisis Instrumental 11.4 RESULTADOS En estos gráficos se visualizan los datos de salida típica de una cromatografía de iones: Esta cromatografía de iones muestra datos de un análisis de cationes de aguas glaciales. Cada pico representa la concentración de cada catión. Las concentraciones de iones pueden ser calculadas usando el área bajo cada pico, donde un área más grande tiene correlación con una concentración más alta de una especie de ion particular. La mayoría de las máquinas de cromatografía iónica proporcionan el software que calcula esta área, luego los usuarios pueden convertirla a partes por millón (ppm) u otra cantidad. 11.4.1 Preparación de la muestra Muestras líquidas: antes del análisis el líquido de muestra debe ser filtrado para eliminar los sedimentos y otras partículas, así como para limitar las posibilidades de alteración microbiana. Las muestras acuosas deben ser recolectadas con una jeringa estéril o con una botella la cual debe ser enjuagada tres veces con la muestra de agua y luego ser filtrada a través de un filtro de 68
  • 69. Análisis Instrumental 0.45um (o menos). El frasco de colección, de la misma manera debe ser enjuagado tres veces con el líquido filtrado antes de llenarlo con la muestra. Las muestras deben ser almacenadas el frío hasta que ellas puedan ser procesadas. La muestra mínima requerida para el análisis es aproximadamente 5mL, sin límites máximos. Muestras sólidas y líquidos orgánicos: Muestras sólidas se pueden extraer con agua o ácido (cationes) para eliminar los iones de la superficie. Muestras líquidas también deben ser filtrada y almacenada en frío hasta el análisis se puede realizar. El mínimo de la muestra necesaria para una sólida muestra es de aproximadamente 2-3cm en el caso de los sólidos, sin límites máximos. 11.4.2 Costos Un estudio de aniones, visto en la página del SERNAGEOMIN, cuesta alrededor de 0,65 UF. El costo de la máquina, por otro lado puede estar alrededor de US$ 40.000, para los equipos más básicos, pero un equipo de última generación puede costar más de US$ 100.000 11.5 APLICACIONES 11.5.1 Desionizacion: (Aguas desionizadas o desmineralizadas) La desionización supone la eliminación de sustancias disueltas cargadas eléctricamente (ionizadas) sujetándolas a lugares cargados positiva o negativamente en una resina al pasar el agua a través de una columna rellena con esta resina. Este proceso se llamaintercambioiónicoy se puede usar de diferentes maneras para producir agua desionizada de diferentes calidades.Las impurezas iónicas del agua pueden eliminarse haciendo circular el líquido a través de una resina intercambiadora de aniones en la forma OH  y de una resina intercambiadora de cationes en la forma H  . Supóngase por ejemplo que se encuentra Cu( NO3 )2 en la solución. La resina intercambiadora de cationes fija Cu 2 y lo sustituye por 2H  . La resina in intercambio anionico fija NO3 y lo sustituye por OH  . El eluato es agua pura o desionizada.  intercambiodelionporH Cu 2  2 H   puraH 2O    intercambiodelionporOH 2 NO32  2OH   El agua tratada de esta manera se llama agua desionizada. 11.6 APLICACIONESAGROINDUSTRIALES Se utiliza para el análisis de la química del agua. Los cromatógrafos iónicos son capaces de medir las concentraciones de los principales aniones, como el fluoruro, cloruro, nitrato, nitrito, sulfato y, así como los principales cationes como el litio, el sodio, de amonio, potasio, calcio y magnesio. También pueden medirse las concentraciones de ácidos orgánicos a través de cromatografía de iones. 69
  • 70. Análisis Instrumental Las muestras (soluciones) se hacen pasar a presión por una columna cromatográfica. Allí los iones son adsorbidos por los componentes de la columna (resina). Luego se agrega un líquido de extracción iónica, conocido como eluente, el cual al traspasar la columna hace que los iones absorbidos comiencen a separarse de ésta. 11.6.1 Tratamiento de aguas duras Esta técnica se aplica para eliminar la dureza de las aguas tanto domesticas como industriales para el posterior tratamiento por escaldado de alimentos vegetales y preparación de productos en conservas. 11.6.1.1 Principio: Ciertos compuestos tienen la propiedad de fijar los iones alcalinotérreos (Ca, Mg, etc.) sustituyéndolos por iones de sodio. Anteriormente se les daba el nombre de zeolicos. Cuando se hace pasar en agua por lecho de estos intercambiadores de iones de sodio, las sales alcalinotérreas que contiene esta agua se transforma en sales de sodio. El lecho permutante se hace cada vez más activo a medida que el contenido en calcio y magnesio del intercambiador aumenta. En estas instancias, ablandado cierto volumen hay que proceder a una “regeneración” ya mencionada anteriormente que se efectúa por el paso de una solución de cloruro de sodio a través del lecho de intercambio. Después del tratamiento, la resina generada recupera su actividad inicial y el ciclo puede volver a repetirse cíclicamente. Actualmente, la resinas de intercambio iónico más empleadas son las resinas orgánicas de síntesis, del tipo poliestireno y divinilbencenosulfonado. Estas resinas, destinadas para el ablandamiento del agua son llamadas catiónicas fuertes, y se presentan en granos de pequeño diámetro y en el mercado existen diversas marcas y composición. 11.6.1.2 Funcionamiento Actualmente los ablandadores se construyen de Poliéster Reforzado de Fibra de Vidrio (PRFV). Con recubrimiento interno de polietileno, resistente a la corrosión por el cloruro de sodio y a la presión. Y en su interior contienen el lecho de resina.Los dispositivos de control varían, para asegurar y verificar la secuencia de trabajo, es decir, ablandamiento, contra-lavado regeneración, lavado final, etc. sea por control manual, automático o semiautomático. Llevan también un recipiente (tanque salero), en el cual se disuelve la solución concentrada de cloruro de sodio necesaria para la regeneración. Las distintas etapas del proceso de ablandamiento son: 1. Durante una primera fase, el agua atraviesa el lecho de resina, donde pierde sus iones de calcio y magnesio, sustituyéndolos por iones de sodio. 2. Cuando la resina está saturada, se favorece su desbloqueo por una corriente de agua a fin de facilitar la regeneración. 3. En esta tercera etapa, se hace pasar lentamente la salmuera a través del lecho de resinas, se obtiene una solución salina de sales de calcio y magnesio, y la resina se encuentra nuevamente cargada de sodio. 70
  • 71. Análisis Instrumental 4. En una cuarta etapa, un lavado permite eliminar la salmuera remanente en el lecho y deja el aparato preparado para un nuevo ciclo. 11.6.1.3 Dibujo esquemático del principio. Las partículas cargadas negativamente se unen a la matriz solida positivamente y son retenidas. Mientras tanto, las partículas con carga positiva son rechazadas de la matriz y son eluyéndose.Para regenerar la matriz, se eluyen las partículas retenidas haciendo circular una solución salina. 71
  • 72. Análisis Instrumental CONCLUSIONES Las diferentes técnicas instrumentales que existen en la actualidad, permiten disponer de una gama amplia de opciones para afrontar de manera integral un problema analítico en la agroindustria. Las técnicas cromatográficas individualmente, no son capaces de suministrar una identificación inequívoca de un compuesto particular y la confirmación por técnicas específicas como la espectrometría de masas es a menudo obligatoria. Las técnicas cromatográficas tanto en fase gaseosa como líquida, solas, combinadas, o acopladas con otros equipos, son las más utilizadas para la identificación y cuantificación de compuestos aromáticos de la atmósfera. Las técnicas espectrométricas tienen gran aplicabilidad en la determinación de compuestos orgánicos e inorgánicos, y son las más utilizadas entre todas las técnicas de análisis cuantitativo. Los métodos de análisis instrumental, hacen parte fundamental de múltiples operaciones unitarias en el campo agroindustrial. 72
  • 73. Análisis Instrumental BIBLIOGRAFIA SKOOG, HOLLER NIEMAN. Principios de Análisis Instrumental, Quinta edición, Mc Graw Hill Interamericana, Madrid, 2001 SKOOG, LEARY. Principios de Análisis Instrumental, Cuarta Edición, Mc Graw Hill Interamericana, Madrid, 1994 HARRIS, D.C. Análisis Químico Cuantitativo, Grupo editorial Iberoamérica, México,2000 http://es.wikipedia.org/wiki/Espectroscopia_ultravioleta-visible http://www.ua.es/es/investigacion/sti/servicios/analisis_instrumental/rayosx_monocristales/infrarr oja.html http://www.tesisenxarxa.net/TESIS_UAB/AVAILABLE/TDX-0110110-200438//mbm1de1.pdf http://scsie.uv.es/1004/espectrometria/campos_de_aplicacion.html http://www.quiminet.com/ar5/ar_vcdarmadvcAAss-la-espectrometria-de-absorcion-atomica.htm http://www.espectrometria.com/espectrometra_de_absorcin_atmica http://www.scribd.com/doc/11642417/Cromatografia-Fundamentos-y-Aplicaciones http://www.itma.es/esp/02/equipamiento/servicios/equipamientonometal24.html http://www.segai.ull.es/service_applications http://books.google.com.co/books?id=Q1nbZ47NXFkC&pg=PR9&dq=principio+fisico+de+la+cro matografia+en+capa+fina&hl=es&ei=D0wWTcLJLYG8lQexyK2oDA&sa=X&o http://www.pucpr.edu/marc/facultad/mrodriguez/PDF/Q420/Capitulo%2027.pdf http://www.sagarpa.gob.mx/Paginas/Paginanoencontrada.aspx?oldUrl=http://www.sagarpa.gob. mx/Dgg/NOM/011zoo.pdf www.espectrometria.com 73

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