Espectroscopia Raman vs IR

La espectroscopia Raman y la infrarroja por transformada de Fourier o FTIR ofrecen información molecular sobre la estructura y la composición de las muestras químicas y biológicas. Debido a las piedras angulares que rigen cada tecnología, ambos métodos pueden proporcionar información complementaria. Sin embargo, una de ellas suele ser la mejor opción, según la naturaleza de la aplicación.

a. Espectroscopia Raman: proporciona información sobre las vibraciones intramoleculares e intermoleculares. Las primeras proporcionan un espectro característico de las vibraciones específicas de los átomos de una molécula y sirven para identificar una sustancia, una forma o información molecular de la columna vertebral, entre otros. Las segundas proporcionan información sobre los modos de frecuencia más baja, que reflejan la estructura de red cristalina y la forma polimórfica.

b. Espectroscopia infrarroja: su mayor valor radica en la capacidad para sondear la “región de huellas dactilares” del espectro donde las vibraciones intramoleculares están bien definidas y son muy características de los enlaces de los átomos.

Un ejemplo práctico de la diferencia entre estas dos tecnologías es la investigación de un proceso de cristalización. En este caso, Raman analiza formas de cristales sólidos e IR mide de manera simultánea las características de la fase de solución, como la supersaturación.

Raman. El efecto Raman es un efecto débil (también conocido como el efecto de un fotón en diez millones) provocado por un evento de energía que tiene lugar cuando los fotones de luz monocromática (láser) interactúan con una molécula, lo que provoca a la dispersión inelástica de fotones.

Cuando los fotones interactúan con una molécula, un electrón puede estar en un estado de excitación a un nivel de energía superior (es decir, un estado virtual de excitación), pero no someterse completamente a una transición electrónica. A continuación, el electrón puede relajarse a un nivel de energía vibratoria diferente al de la energía del fotón incidente. La diferencia entre la energía del fotón incidente y la energía del fotón disperso es el llamado cambio Raman. La interacción de la molécula con la luz puede inducir un cambio en la nube de electrones de la molécula que provoque un cambio en la polarizabilidad. Una molécula tiene transiciones de energía específicas relacionadas con sus enlaces intramoleculares, en los que se producen cambios de polarizabilidad que dan lugar a modos activos Raman. La frecuencia del cambio Raman está relacionada con el tipo de enlace excitado y la intensidad de este pico Raman es proporcional al número de enlaces.

IR. La espectroscopia infrarroja (IR) es una técnica más fuerte que se basa en la absorción de la luz de moléculas a frecuencias que se corresponden con las vibraciones fundamentales de dichas moléculas. Las moléculas con grupos funcionales que cuentan con dipolos fuertes muestran picos altos en la espectroscopia IR, mientras que los grupos funcionales con dipolos débiles y que sufren fácilmente un cambio en la polarizabilidad muestran picos fuertes en la espectroscopia Raman.

El movimiento de átomos en una molécula tiene una frecuencia de vibración natural asociada a la fuerza de su enlace. Cuando la frecuencia de vibración de un enlace es igual a la frecuencia de la radiación infrarroja dirigida a él, el enlace absorbe la radiación. Las frecuencias específicas infrarrojas que los enlaces de una molécula absorben dan lugar a un espectro infrarrojo de la molécula.

A continuación, se describirán las ventajas y las limitaciones de cada tecnología, junto con las reacciones apropiadas para cada una. Después, se explicará cómo los instrumentos pueden aportar valor a las áreas de aplicación principales y se presentarán artículos recientes de revistas para su lectura posterior.

La espectroscopia Raman y la espectroscopia IR ofrecen la determinación en tiempo real de especies de reacción y el control del inicio, el progreso, los intermedios transitorios y el punto final de la reacción. Además, permiten el desarrollo rápido de datos cinéticos y respaldan los mecanismos de reacción propuestos.

Ambos métodos de espectrometría pueden investigar la estructura de la superficie y la masa catalítica, estudiar las especies adsorbidas en las superficies catalíticas, examinar el enlace metal-ligando, desarrollar relaciones estructura-actividad y optimizar los procesos catalíticos al medir el efecto de las variables de reacción en el rendimiento del producto, la calidad y la actividad del catalizador. Todo esto puede llevarse a cabo mediante espectroscopia IR y espectroscopia Raman in situ en condiciones reales de presión y temperatura, así como al analizar reacciones catalíticas homogéneas en química de flujo.

Para un amplio abanico de tipos de reacciones, use las células de flujo químicamente inertes en línea (Raman) y las células de flujo ART (IR) para controlar de forma continua y asegurar la estabilidad de las reacciones de flujo. Las tecnologías IR y Raman respaldan los estudios de optimización rápida de procesos en química de flujo al hacer un seguimiento de especies de reacción claves en función de las condiciones de flujo variables.

La espectroscopia IR in situ mide los solutos en la fase de solución para el desarrollo de la cristalización, y la espectroscopia Raman in situ mide la formación de cristales y el polimorfismo en función de variables como los disolventes, la siembra, el perfil de enfriamiento, la temperatura y el pH.

Los análisis IR y Raman in situ se pueden emplear para respaldar varios pasos de procesamiento posterior, incluida la captura primaria, el intercambio de soluciones tampón, la purificación, la bioconjugación y la formulación. Tanto en estas aplicaciones como en otras, los análisis en tiempo real eliminan los cuellos de botella y retrasos tradicionales asociados con los análisis de muestras recogidas convencionales fuera de línea.

La espectroscopia Raman es eficaz para el análisis de la estructura de la columna vertebral del polímero, la longitud de cadena, la apertura de anillo y la conformación. Emplee la espectroscopia IR para el análisis de cadenas laterales, grupos terminales de moléculas de cadena larga y grupos funcionales. Adquiera datos sobre la cinética de reacción, los índices de conversión de monómeros, las velocidades de reacción, las energías de activación, el papel de los iniciadores, los intermediarios y la formación de productos secundarios, todo en tiempo real sin necesidad de muestreo extractivo ni análisis fuera de línea. Los análisis in situ eliminan la irreproducibilidad del muestreo fuera de línea provocado por un aumento de la viscosidad de la reacción y la pérdida de puntos de datos de análisis durante la polimerización rápida, por lo que se obtienen datos cinéticos más exactos. 

Los instrumentos y la interfaz para la muestra de ambas técnicas tienen un enfoque similar, pero hay algunos detalles que las diferencian.

Los espectrómetros Raman utilizan un láser como la fuente (normalmente un láser visible o de IR cercano), mientras que los espectrómetros IR suelen emplear un radiador de cuerpo negro (como una varilla de carburo de silicio) para proporcionar energía en la región de infrarrojo medio.

Además, los sistemas optomecánicos se diferencian de la siguiente forma: los espectrómetros Raman usan una rejilla holográfica con un detector CCD altamente sensible y los espectrómetros FTIR usan un interferómetro para proporcionar radiación modulada que se detecta por detectores piroeléctricos (DTGS) o fotónicos (MCT), que son más sensibles.

Ambas técnicas usar sondas de fibra óptica para el control de reacciones in situ. En el caso de Raman, la fibra óptica está compuesta de sílice y su longitud puede variar de unos pocos metros (2 m) a varios (más de 50 m) metros o kilómetros. Las sondas de fibra IR están fabricadas en un material que transmite la radiación IR media, como vidrio de calcogenuro o haluro de plata (AgX), y tienen una longitud limitada (<4 m) debido a la atenuación natural de la energía de IR por el material de la fibra óptica. La interfaz entre la muestra y la sonda en la espectroscopia FTIR reside en un sensor ATR de reflejo interno fabricado en diamante o silicio cristalino, mientras que la interfaz para la muestra en mediciones Raman in situ emplea una lente de zafiro para enfocar el láser en un punto cercano a la lente de zafiro o la interfaz de muestra.

ReactIR y ReactRaman forman parte de una familia de productos integrada que se combina en la potente plataforma de software iC para proporcionar una comprensión de la información de la cinética, el mecanismo y la vía de la reacción para una caracterización mejorada.

ReactRaman es un sistema Raman muy compacto, de sonda intercambiable y basado en células de flujo que está optimizado para el control in situ de reacciones químicas y procesos de cristalización. El sistema utiliza un láser de estado sólido de 785 nm para reducir la fluorescencia de la muestra, a la vez que mantiene una excelente sección transversal de dispersión para maximizar la señal de Raman. La energía del láser se transmite a la muestra y se recopila a partir de esta mediante cables de fibra óptica y una sonda de inserción endurecida químicamente equipada con una lente de zafiro para interactuar con la muestra. La energía dispersa se pasa a una rejilla holográfica de alto rendimiento y, finalmente, un detector CCD captura esta energía para dar lugar al espectro Raman.

ReactIR es un sistema FTIR compacto específico para el control de reacciones químicas con una sonda de inserción intercambiable o una célula de flujo que se conecta con las síntesis por lotes o de flujo continuo, respectivamente. Los espectrómetros FTIR constan de varios componentes clave: una fuente de luz (normalmente una varilla de carburo de silicio infrarroja), un interferómetro con espejo fijo y móvil, y un detector térmico o fotónico. La energía infrarroja de banda ancha de la fuente se dirige a un divisor de haces, que pasa la energía a través de dos caminos diferentes. Un camino tiene un espejo fijo en el extremo y el otro, un espejo móvil. La energía infrarroja de estos dos caminos regresa y se recombina en el divisor de haces, lo que genera un patrón de interferencia constructivo y destructivo: el interferograma. Este haz de infrarrojos modulado pasa a la muestra, donde se absorbe en función de la estructura molecular de la muestra y, por lo tanto, genera el espectro de IR para el análisis.

ReactIR y ReactRaman combinan la potencia de la espectroscopia en tiempo real con una facilidad de uso igual de valiosa. El resultado: una comprensión integral de la reacción tanto para los usuarios expertos como para los legos.

1. Compactas y portátiles: las unidades pequeñas y apilables ahorran un valioso espacio en la vitrina de gases o en la caja de guantes, lo que proporciona la flexibilidad de implementar la espectroscopia in situ donde más se necesite.

2. Conexión y funcionamiento inmediato: la combinación de un rendimiento sobresaliente del sistema y una integración optimizada del sensor proporciona estabilidad y sensibilidad sin necesidad de requisitos especiales, como el nitrógeno líquido.

3. One Click Analytics: obtenga rápidamente información de gran calidad con perfiles de reacción automatizados y funciones de tendencias. Un software avanzado, a la par que intuitivo, identifica las especies de reacción clave y realiza el seguimiento de estas, incluidas las sustancias intermedias en fase transitoria que afectan a la pureza del producto.

4. Plataforma de síntesis integrada: El software iC estándar de la industria permite una completa automatización del flujo de trabajo y la integración de los datos analíticos y de proceso para la síntesis, la cristalización y otras operaciones de la unidad.

5. Estudio de todos los tipos de procesos químicos: una variedad de opciones basadas en sensores y flujos permiten el estudio de los procesos químicos en una amplia gama de condiciones, incluso en soluciones y reactivos agresivos.

Ya Wang, Jun Yu, Yanding Wang, Zhuwen Chen, Lei Dong, Rongming Cai, Mei Hong, Xia Long and Shihe Yang, “in-situ templating synthesis of mesoporous Ni-Fe electrocatalyst for oxygen evolution reaction”, RSC Adv., (2020), 10, 23321.

Los autores describen el uso de sílice pirógena mesoporosa amorfa (MFS) como estructura sobre la que desprender iones Ni²⁺ y Fe³⁺ para crear un electrocatalizador para la reacción de evolución del oxígeno. Junto con las mediciones de espectroscopia fotoelectrónica de rayos X, las mediciones de espectroscopia Raman indican que los iones Ni²⁺ están unidos covalentemente a los grupos Si-OH de la superficie, mientras que los enlaces Fe-Si-O se forman mediante la infusión de iones Fe³⁺ en la estructura de MFS.

En MFS, las bandas Raman a 345-450, 575, 750, 973 y 1070 cm^-1 se asocian a varias vibraciones de Si-O-Si y al estiramiento de Si-OH. Cuando hay un alto contenido de Fe, las bandas Raman a 332, 495 y 1163 cm^-1 aparecen y se asignan a especies Fe-O-Si. Para MFS con un alto contenido de Ni, la banda de estiramiento de Si-OH a 973 cm^-1 disminuye y no existe ninguna otra banda. Esto indica que el Ni está enlazado a la superficie Si-OH y no forma parte de la estructura de sílice MFS. La capacidad de la espectroscopia Raman para medir vibraciones de frecuencia más baja tuvo importancia para lograr una percepción de los enlaces. 

Kallakuri Suparna Rao, Fredéric St-Jean, Archana Kumar, “Quantitation of a Ketone Enolization and a Vinyl Sulfonate Stereoisomer Formation Using Inline IR Spectroscopy and Modeling”, Org. Process Res. Dev. 2019, 23, 945-951.

Los autores emplearon ReactIR para investigar la formación de una olefina acíclica tetrasustituida a través de la enolización y tosilación de cetonas en una reacción de dos pasos en un solo recipiente. Realizaron un seguimiento con éxito de la conversión de la cetona en un enolato mediante un modelo univariado basado en la banda carbonilo de la cetona a 1685 cm^-1. Posteriormente, el modelo se usó para seguir la tasa de consumo de la materia prima y, luego, para definir la finalización en función de las condiciones de reacción variables.

Para determinar la proporción de productos isoméricos de tosilato de vinilo tetrasustituido E frente a Z para el segundo paso, los investigadores construyeron modelos multivariados de PCA y PLS con el espectro completo de datos HPLC fuera de línea e IR in situ. Estos modelos permitieron determinar la cantidad relativa de los dos isómeros en reacciones posteriores y se validaron con datos de reacciones obtenidos en condiciones variables.

Wanya Li, Peng Shi, Lina Jia, Yanxiao Zhao, Binqiao Sun, Mingtao Zhang, Junbo Gong, Weiwei Tang, “Eutectics and Salt of Dapsone With Hydroxybenzoic Acids: Binary Phase Diagrams, Characterization and Evaluation”, J. Pharm. Sci., (2020), 109(7), 2224-2236.

Los autores informan de la síntesis del antibiótico dapsona con coformadores de ácido hidroxibenzoico para desarrollar nuevos sólidos multicomponente. La estructura y caracterización de estos sólidos se determinó con mediciones de difracción de rayos X, DSC, IR y Raman, que señalaron la formación de una nueva sal de DAP con ácido 2,6-dihidroxibenzoico (26DHBA) y 4 eutécticos con otros ácidos hidroxibenzoicos. Las mediciones IR y Raman señalaron que en la nueva sal tienen lugar interacciones iónicas.

El espectro de IR de una mezcla física 1:1 de DAP y 26DHBA es un espectro de aditivos, compuesto por un espectro de los dos componentes individuales. El espectro de IR del nuevo producto DAP-26DHBA (1:1) muestra cambios significativos. Por ejemplo, desaparece la frecuencia del carbonilo para 26DHBA a 1677 cm^-1 y aparece una nueva banda a 1386 cm^-1 en el espectro del producto, que indica la formación de una sal iónica. Los cambios espectrales en las mediciones Raman del producto DAP-26DHBA (1:1) son coherentes con los resultados de IR. Además, los espectros Raman de los eutécticos DAP-SAL, DAP-3HBA, DAP-4HBA y DAP25DHBA [ácido salicílico (SAL), ácido 3-hidroxibenzoico (3HBA), ácido 4-hidroxibenzoico (4HBA), ácido 2,5-dihidroxibenzoico ( 25DHBA) y ácido 2,6-dihidroxibenzoico (26DHBA)] son coherentes con los espectros de los componentes individuales respectivos, lo que indica que los eutécticos no presentan la nueva fase cristalina.

Espectroscopia IR

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Espectroscopia Raman

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