La espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier ( FTIR ) [1] es una técnica que se utiliza para obtener un espectro infrarrojo de absorción o emisión de un sólido, líquido o gas. Un espectrómetro FTIR recopila simultáneamente datos espectrales de alta resolución en un amplio rango espectral. Esto confiere una ventaja significativa sobre un espectrómetro dispersivo , que mide la intensidad en un rango estrecho de longitudes de onda a la vez.
El término espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier se origina del hecho de que se requiere una transformada de Fourier (un proceso matemático) para convertir los datos sin procesar en el espectro real.
El objetivo de las técnicas de espectroscopia de absorción (FTIR, espectroscopia ultravioleta-visible ("UV-vis") , etc.) es medir cuánta luz absorbe una muestra en cada longitud de onda. [2] La forma más sencilla de hacerlo, la técnica de "espectroscopia dispersiva", es hacer brillar un haz de luz monocromático sobre una muestra, medir cuánta luz se absorbe y repetir el proceso para cada longitud de onda diferente. (Así es como funcionan algunos espectrómetros UV-vis , por ejemplo).
La espectroscopia por transformada de Fourier es una forma menos intuitiva de obtener la misma información. En lugar de proyectar un haz de luz monocromático (un haz compuesto de una sola longitud de onda) sobre la muestra, esta técnica proyecta un haz que contiene muchas frecuencias de luz a la vez y mide qué parte de ese haz es absorbida por la muestra. A continuación, el haz se modifica para que contenga una combinación diferente de frecuencias, lo que da un segundo punto de datos. Este proceso se repite rápidamente muchas veces en un breve lapso de tiempo. Después, una computadora toma todos estos datos y trabaja a la inversa para inferir cuál es la absorción en cada longitud de onda. [2]
El haz descrito anteriormente se genera partiendo de una fuente de luz de banda ancha, que contiene el espectro completo de longitudes de onda que se van a medir. La luz brilla en un interferómetro de Michelson , una determinada configuración de espejos, uno de los cuales se mueve mediante un motor. A medida que este espejo se mueve, cada longitud de onda de luz en el haz es bloqueada, transmitida, bloqueada, transmitida periódicamente por el interferómetro, debido a la interferencia de ondas . Las diferentes longitudes de onda se modulan a diferentes velocidades, de modo que en cada momento o posición del espejo el haz que sale del interferómetro tiene un espectro diferente. [2]
Como se mencionó, se requiere procesamiento informático para convertir los datos brutos (absorción de luz para cada posición del espejo) en el resultado deseado (absorción de luz para cada longitud de onda). [2] El procesamiento requerido resulta ser un algoritmo común llamado transformada de Fourier . La transformada de Fourier convierte un dominio (en este caso, el desplazamiento del espejo en cm) en su dominio inverso (números de onda en cm −1 ). Los datos brutos se denominan "interferograma".
El primer espectrofotómetro de bajo costo capaz de registrar un espectro infrarrojo fue el Perkin-Elmer Infracord producido en 1957. [3] Este instrumento cubría el rango de longitud de onda de 2,5 μm a 15 μm ( rango de número de onda de 4.000 cm −1 a 660 cm −1 ). El límite de longitud de onda inferior se eligió para abarcar la frecuencia de vibración más alta conocida debido a una vibración molecular fundamental . El límite superior fue impuesto por el hecho de que el elemento dispersante era un prisma hecho de un solo cristal de sal de roca ( cloruro de sodio ), que se vuelve opaco en longitudes de onda mayores a aproximadamente 15 μm; esta región espectral se conoció como la región de sal de roca. Los instrumentos posteriores utilizaron prismas de bromuro de potasio para extender el rango a 25 μm (400 cm −1 ) y yoduro de cesio 50 μm (200 cm −1 ). La región más allá de los 50 μm (200 cm −1 ) se conoció como la región del infrarrojo lejano; en longitudes de onda muy largas se fusiona con la región de microondas . Las mediciones en el infrarrojo lejano requirieron el desarrollo de rejillas de difracción reguladas con precisión para reemplazar los prismas como elementos dispersantes, ya que los cristales de sal son opacos en esta región. Se requirieron detectores más sensibles que el bolómetro debido a la baja energía de la radiación. Uno de ellos fue el detector Golay . Un problema adicional fue la necesidad de excluir el vapor de agua atmosférico porque el vapor de agua tiene un espectro rotacional puro intenso en esta región. Los espectrofotómetros de infrarrojo lejano eran engorrosos, lentos y costosos. Las ventajas del interferómetro de Michelson eran bien conocidas, pero se tuvieron que superar considerables dificultades técnicas antes de poder construir un instrumento comercial. También se necesitaba una computadora electrónica para realizar la transformada de Fourier requerida, y esto solo se hizo posible con la llegada de minicomputadoras , como la PDP-8 , que estuvo disponible en 1965. Digilab fue pionero en el primer espectrómetro FTIR comercial del mundo (modelo FTS-14) en 1969. [1] Los FTIR de Digilab ahora son parte de la línea de productos moleculares de Agilent Technologies después de que Agilent adquiriera el negocio de espectroscopía de Varian . [4] [5]
En un interferómetro de Michelson adaptado para FTIR, la luz de la fuente infrarroja policromática, aproximadamente un radiador de cuerpo negro , se colima y se dirige a un divisor de haz . Idealmente, el 50% de la luz se refracta hacia el espejo fijo y el 50% se transmite hacia el espejo móvil. La luz se refleja desde los dos espejos de vuelta al divisor de haz y una fracción de la luz original pasa al compartimento de muestra. Allí, la luz se enfoca en la muestra. Al salir del compartimento de muestra, la luz se vuelve a enfocar hacia el detector. La diferencia en la longitud del camino óptico entre los dos brazos hacia el interferómetro se conoce como retardo o diferencia de camino óptico (OPD). Se obtiene un interferograma variando el retardo y registrando la señal del detector para varios valores del retardo. La forma del interferograma cuando no hay muestra presente depende de factores como la variación de la intensidad de la fuente y la eficiencia del divisor con la longitud de onda. Esto da como resultado un máximo en el retardo cero, cuando hay interferencia constructiva en todas las longitudes de onda, seguido de una serie de "ondulaciones". La posición de retardo cero se determina con precisión al encontrar el punto de máxima intensidad en el interferograma. Cuando hay una muestra presente, el interferograma de fondo se modula por la presencia de bandas de absorción en la muestra. [2]
Los espectrómetros comerciales utilizan interferómetros de Michelson con una variedad de mecanismos de escaneo para generar la diferencia de trayectoria. Todos estos sistemas tienen en común la necesidad de garantizar que los dos haces se recombinen exactamente a medida que el sistema escanea. Los sistemas más simples tienen un espejo plano que se mueve linealmente para variar la trayectoria de un haz. En este sistema, el espejo móvil no debe inclinarse ni tambalearse, ya que esto afectaría la forma en que los haces se superponen a medida que se recombinan. Algunos sistemas incorporan un mecanismo de compensación que ajusta automáticamente la orientación de un espejo para mantener la alineación. Los sistemas que evitan este problema incluyen el uso de reflectores de esquinas de cubo en lugar de espejos planos, ya que estos tienen la propiedad de devolver cualquier haz incidente en una dirección paralela independientemente de la orientación.
Los sistemas en los que la diferencia de trayectoria se genera mediante un movimiento rotatorio han demostrado ser muy exitosos. Un sistema común incorpora un par de espejos paralelos en un haz que se puede girar para variar la trayectoria sin desplazar el haz que regresa. Otro es el diseño de doble péndulo, en el que la trayectoria en un brazo del interferómetro aumenta a medida que la trayectoria en el otro disminuye.
Un enfoque bastante diferente consiste en introducir una cuña de un material transparente a los rayos IR, como el KBr, en uno de los haces. Al aumentar el espesor del KBr en el haz, se aumenta el camino óptico porque el índice de refracción es mayor que el del aire. Una limitación de este enfoque es que la variación del índice de refracción en el rango de longitudes de onda limita la precisión de la calibración de la longitud de onda.
El interferograma debe medirse desde una diferencia de trayectoria cero hasta una longitud máxima que depende de la resolución requerida. En la práctica, el escaneo puede realizarse en cualquiera de los lados del cero, lo que da como resultado un interferograma de doble cara. Las limitaciones de diseño mecánico pueden significar que, para la resolución más alta, el escaneo se ejecute hasta la OPD máxima solo en un lado del cero.
El interferograma se convierte en un espectro mediante la transformación de Fourier. Esto requiere que se almacene en forma digital como una serie de valores a intervalos iguales de la diferencia de trayectoria entre los dos haces. Para medir la diferencia de trayectoria, se envía un haz láser a través del interferómetro, generando una señal sinusoidal donde la separación entre máximos sucesivos es igual a la longitud de onda del láser (normalmente se utiliza un láser HeNe de 633 nm). Esto puede activar un convertidor analógico a digital para medir la señal IR cada vez que la señal láser pasa por cero. Alternativamente, las señales láser e IR se pueden medir de forma sincrónica a intervalos más pequeños con la señal IR en puntos correspondientes al cruce por cero de la señal láser que se determina por interpolación. [6] Este enfoque permite el uso de convertidores analógicos a digitales que son más precisos y exactos que los convertidores que se pueden activar, lo que da como resultado un menor ruido.
El resultado de la transformación de Fourier es un espectro de la señal en una serie de longitudes de onda discretas. El rango de longitudes de onda que se pueden utilizar en el cálculo está limitado por la separación de los puntos de datos en el interferograma. La longitud de onda más corta que se puede reconocer es el doble de la separación entre estos puntos de datos. Por ejemplo, con un punto por longitud de onda de un láser de referencia HeNe en0,633 μm (15 800 cm −1 ) la longitud de onda más corta sería1,266 micras (7900 cm −1 ). Debido al aliasing , cualquier energía en longitudes de onda más cortas se interpretaría como proveniente de longitudes de onda más largas y, por lo tanto, debe minimizarse óptica o electrónicamente. La resolución espectral, es decir, la separación entre longitudes de onda que se pueden distinguir, está determinada por el OPD máximo. Las longitudes de onda utilizadas para calcular la transformada de Fourier son tales que un número exacto de longitudes de onda encajan en la longitud del interferograma desde cero hasta el OPD máximo, ya que esto hace que sus contribuciones sean ortogonales. Esto da como resultado un espectro con puntos separados por intervalos de frecuencia iguales.
Para una diferencia de trayectoria máxima d, las longitudes de onda adyacentes λ 1 y λ 2 tendrán n y (n+1) ciclos, respectivamente, en el interferograma. Las frecuencias correspondientes son ν 1 y ν 2 :
La separación es la inversa del OPD máximo. Por ejemplo, un OPD máximo de 2 cm da como resultado una separación de0,5 cm −1 . Esta es la resolución espectral en el sentido de que el valor en un punto es independiente de los valores en puntos adyacentes. La mayoría de los instrumentos pueden funcionar con diferentes resoluciones eligiendo diferentes OPD. Los instrumentos para análisis de rutina suelen tener una mejor resolución de alrededor de0,5 cm −1 , mientras que se han construido espectrómetros con resoluciones tan altas como0,001 cm −1 , correspondiente a un OPD máximo de 10 m. Se debe identificar el punto en el interferograma correspondiente a la diferencia de trayectoria cero, generalmente asumiendo que es donde se produce la señal máxima. Esta denominada ráfaga central no siempre es simétrica en los espectrómetros del mundo real, por lo que puede que haya que calcular una corrección de fase. La señal del interferograma decae a medida que aumenta la diferencia de trayectoria, y la tasa de decaimiento está inversamente relacionada con el ancho de las características en el espectro. Si el OPD no es lo suficientemente grande como para permitir que la señal del interferograma decaiga a un nivel insignificante, habrá oscilaciones no deseadas o lóbulos laterales asociados con las características en el espectro resultante. Para reducir estos lóbulos laterales, el interferograma generalmente se multiplica por una función que se acerca a cero en el OPD máximo. Esta denominada apodización reduce la amplitud de los lóbulos laterales y también el nivel de ruido a expensas de cierta reducción en la resolución.
Para un cálculo rápido, el número de puntos del interferograma debe ser igual a una potencia de dos. Para lograrlo, se puede añadir una cadena de ceros al interferograma medido. Se pueden añadir más ceros en un proceso llamado relleno de ceros para mejorar la apariencia del espectro final, aunque no se produce ninguna mejora en la resolución. Alternativamente, la interpolación después de la transformada de Fourier da un resultado similar. [ cita requerida ]
Hay tres ventajas principales de un espectrómetro FT en comparación con un espectrómetro de barrido (dispersivo). [1]
Otra pequeña ventaja es la menor sensibilidad a la luz parásita, es decir, la radiación de una longitud de onda que aparece en otra longitud de onda del espectro. En los instrumentos dispersivos, esto es el resultado de imperfecciones en las rejillas de difracción y reflexiones accidentales. En los instrumentos FT no existe un equivalente directo, ya que la longitud de onda aparente está determinada por la frecuencia de modulación en el interferómetro.
El interferograma pertenece a la dimensión de longitud. La transformada de Fourier (FT) invierte la dimensión, por lo que la FT del interferograma pertenece a la dimensión de longitud recíproca ([L −1 ]), que es la dimensión del número de onda . La resolución espectral en cm −1 es igual al recíproco del retardo máximo en cm. Por lo tanto, se obtendrá una resolución de 4 cm −1 si el retardo máximo es de 0,25 cm; esto es típico de los instrumentos FTIR más económicos. Se puede obtener una resolución mucho mayor aumentando el retardo máximo. Esto no es fácil, ya que el espejo móvil debe viajar en una línea recta casi perfecta. El uso de espejos de esquina cúbica en lugar de espejos planos es útil, ya que un rayo saliente de un espejo de esquina cúbica es paralelo al rayo entrante, independientemente de la orientación del espejo sobre ejes perpendiculares al eje del haz de luz.
Actualmente se encuentra disponible comercialmente un espectrómetro con una resolución de 0,001 cm −1 . La ventaja en términos de rendimiento es importante para la FTIR de alta resolución, ya que el monocromador de un instrumento dispersivo con la misma resolución tendría rendijas de entrada y salida muy estrechas .
En 1966, Janine Connes midió la temperatura de la atmósfera de Venus registrando el espectro de vibración-rotación del CO2 venusiano con una resolución de 0,1 cm −1 . [7] El propio Michelson intentó resolver la banda de emisión de hidrógeno H α en el espectro de un átomo de hidrógeno en sus dos componentes utilizando su interferómetro. [1] p25
La FTIR es un método para medir los espectros de absorción y emisión de infrarrojos. Para obtener más información sobre por qué se miden los espectros de absorción y emisión de infrarrojos, es decir, por qué y cómo las sustancias absorben y emiten luz infrarroja, consulte el artículo: Espectroscopia infrarroja .
Los espectrómetros FTIR se utilizan principalmente para mediciones en las regiones del infrarrojo medio y cercano. Para la región del infrarrojo medio, 2−25 μm (5000–400 cm −1 ), la fuente más común es un elemento de carburo de silicio (SiC) calentado a aproximadamente 1200 K (930 °C; 1700 °F) ( Globar ). La salida es similar a la de un cuerpo negro. Las longitudes de onda más cortas del infrarrojo cercano, 1−2,5 μm (10 000–4000 cm −1 ), requieren una fuente de temperatura más alta, normalmente una lámpara de tungsteno-halógeno. La salida de longitud de onda larga de estas está limitada a aproximadamente 5 μm (2000 cm −1 ) por la absorción de la envoltura de cuarzo. Para el infrarrojo lejano, especialmente en longitudes de onda superiores a 50 μm (200 cm −1 ), una lámpara de descarga de mercurio proporciona una mayor salida que una fuente térmica. [8]
Los espectrómetros de infrarrojo lejano suelen utilizar detectores piroeléctricos que responden a los cambios de temperatura a medida que varía la intensidad de la radiación infrarroja que incide sobre ellos. Los elementos sensibles de estos detectores son el sulfato de triglicina deuterado (DTGS) o el tantalato de litio (LiTaO 3 ). Estos detectores funcionan a temperatura ambiente y proporcionan una sensibilidad adecuada para la mayoría de las aplicaciones rutinarias. Para lograr la mejor sensibilidad, el tiempo de escaneo suele ser de unos pocos segundos. Los detectores fotoeléctricos refrigerados se emplean para situaciones que requieren una mayor sensibilidad o una respuesta más rápida. Los detectores de telururo de mercurio y cadmio (MCT) refrigerados con nitrógeno líquido son los más utilizados en el infrarrojo medio. Con estos detectores, se puede medir un interferograma en tan solo 10 milisegundos. Los fotodiodos de arseniuro de indio y galio no refrigerados o DTGS son las opciones habituales en los sistemas de infrarrojo cercano. Los bolómetros de silicio o germanio refrigerados con helio líquido muy sensibles se utilizan en el infrarrojo lejano, donde tanto las fuentes como los divisores de haz son ineficientes. [ cita requerida ]
Un divisor de haz ideal transmite y refleja el 50% de la radiación incidente. Sin embargo, como cualquier material tiene un rango limitado de transmitancia óptica, se pueden utilizar varios divisores de haz de forma intercambiable para cubrir un amplio rango espectral.
En un interferómetro de Michelson sencillo, un haz pasa dos veces por el divisor de haz, pero el otro sólo una vez. Para corregir esto, se incorpora una placa compensadora adicional de igual espesor.
Para la región del infrarrojo medio, el divisor de haz suele estar hecho de KBr con un revestimiento a base de germanio que lo hace semirreflectante. El KBr absorbe fuertemente en longitudes de onda superiores a 25 μm (400 cm −1 ), por lo que a veces se utilizan CsI o KRS-5 para ampliar el rango a unos 50 μm (200 cm −1 ). El ZnSe es una alternativa en los casos en que el vapor de humedad puede ser un problema, pero está limitado a unos 20 μm (500 cm −1 ).
El CaF 2 es el material habitual para el infrarrojo cercano, ya que es más duro y menos sensible a la humedad que el KBr, pero no se puede utilizar más allá de unos 8 μm (1200 cm −1 ).
Los divisores de haz de infrarrojo lejano se basan principalmente en películas de polímero y cubren un rango de longitud de onda limitado. [9]
La reflectancia total atenuada (ATR) es un accesorio del espectrofotómetro FTIR que se utiliza para medir las propiedades superficiales de muestras sólidas o de películas delgadas, en lugar de sus propiedades generales. Generalmente, la ATR tiene una profundidad de penetración de alrededor de 1 o 2 micrómetros, según las condiciones de la muestra.
En la práctica, el interferograma consiste en un conjunto de intensidades medidas para valores discretos de retardo. La diferencia entre valores de retardo sucesivos es constante. Por lo tanto, se necesita una transformada de Fourier discreta . Se utiliza el algoritmo de transformada rápida de Fourier (FFT).
Los primeros espectrómetros FTIR se desarrollaron para el rango del infrarrojo lejano. La razón de esto tiene que ver con la tolerancia mecánica necesaria para un buen rendimiento óptico, que está relacionada con la longitud de onda de la luz que se utiliza. Para las longitudes de onda relativamente largas del infrarrojo lejano, las tolerancias de ~10 μm son adecuadas, mientras que para la región de la sal de roca las tolerancias tienen que ser mejores que 1 μm. Un instrumento típico fue el interferómetro cúbico desarrollado en el NPL [10] y comercializado por Grubb Parsons . Utilizaba un motor paso a paso para impulsar el espejo móvil, registrando la respuesta del detector después de que se completaba cada paso.
Con la llegada de los microordenadores baratos , se hizo posible disponer de un ordenador dedicado a controlar el espectrómetro, recoger los datos, realizar la transformada de Fourier y presentar el espectro. Esto supuso el impulso para el desarrollo de los espectrómetros FTIR para la región de la sal de roca. Había que resolver los problemas de fabricación de componentes ópticos y mecánicos de altísima precisión. Ahora hay disponible en el mercado una amplia gama de instrumentos. Aunque el diseño de los instrumentos se ha vuelto más sofisticado, los principios básicos siguen siendo los mismos. Hoy en día, el espejo móvil del interferómetro se mueve a una velocidad constante y el muestreo del interferograma se activa encontrando cruces por cero en las franjas de un interferómetro secundario iluminado por un láser de helio-neón . En los sistemas FTIR modernos, la velocidad constante del espejo no es estrictamente necesaria, siempre que las franjas del láser y el interferograma original se registren simultáneamente con una mayor frecuencia de muestreo y luego se vuelvan a interpolar en una cuadrícula constante, como fue pionero James W. Brault . Esto confiere una precisión de número de onda muy alta al espectro infrarrojo resultante y evita errores de calibración de número de onda .
La región del infrarrojo cercano abarca el rango de longitudes de onda entre la región de la sal de roca y el comienzo de la región visible , a unos 750 nm. En esta región se pueden observar armónicos de vibraciones fundamentales. Se utiliza principalmente en aplicaciones industriales, como el control de procesos y la obtención de imágenes químicas .
La espectroscopia infrarroja por transformada de Aaurier se utiliza en todas las aplicaciones en las que antes se utilizaba un espectrómetro dispersivo (ver enlaces externos). Además, la sensibilidad y velocidad mejoradas han abierto nuevas áreas de aplicación. Los espectros se pueden medir en situaciones en las que muy poca energía llega al detector. La espectroscopia infrarroja por transformada de Aaurier se utiliza en los campos de investigación de geología [11] , química, materiales, botánica [12] y biología. [13]
La FTIR también se utiliza para investigar diversos nanomateriales y proteínas en entornos de membranas hidrófobas. Los estudios muestran la capacidad de la FTIR para determinar directamente la polaridad en un sitio determinado a lo largo de la cadena principal de una proteína transmembrana. [14] [15] Las características de enlace involucradas con varios nanomateriales orgánicos e inorgánicos y su análisis cuantitativo se pueden realizar con la ayuda de la FTIR. [16] [17]
Un microscopio infrarrojo permite observar muestras y medir espectros de regiones tan pequeñas como 5 micrones de diámetro. Se pueden generar imágenes combinando un microscopio con detectores lineales o de matriz 2D . La resolución espacial puede acercarse a 5 micrones con decenas de miles de píxeles . Las imágenes contienen un espectro para cada píxel y se pueden ver como mapas que muestran la intensidad en cualquier longitud de onda o combinación de longitudes de onda. Esto permite ver la distribución de diferentes especies químicas dentro de la muestra [ cita requerida ] . Esta técnica se ha aplicado en varias aplicaciones biológicas, incluido el análisis de secciones de tejido como una alternativa a la histopatología convencional , [ cita requerida ] examinando la homogeneidad de tabletas farmacéuticas [ cita requerida ] y para diferenciar granos de polen morfológicamente similares . [18]
La resolución espacial de la FTIR se puede mejorar aún más por debajo de la escala micrométrica integrándola en una plataforma de microscopía óptica de barrido de campo cercano . La técnica correspondiente se denomina nano-FTIR y permite realizar espectroscopía de banda ancha en materiales en cantidades ultrapequeñas (virus individuales y complejos proteínicos) y con una resolución espacial de 10 a 20 nm. [19]
La velocidad del FTIR permite obtener espectros de compuestos a medida que se separan mediante un cromatógrafo de gases. Sin embargo, esta técnica es poco utilizada en comparación con la GC-MS (cromatografía de gases-espectrometría de masas), que es más sensible. El método GC-IR es particularmente útil para identificar isómeros, que por su naturaleza tienen masas idénticas. Las fracciones de cromatografía líquida son más difíciles debido al disolvente presente. Una excepción notable es la medición de la ramificación de la cadena en función del tamaño molecular en polietileno mediante cromatografía de permeación en gel , que es posible utilizando disolventes clorados que no tienen absorción en la zona en cuestión.
La medición del gas liberado cuando se calienta un material permite la identificación cualitativa de las especies para complementar la información puramente cuantitativa proporcionada por la medición de la pérdida de peso.
El análisis FTIR se utiliza para determinar el contenido de agua en piezas de plástico y compuestos bastante delgadas, más comúnmente en el entorno de laboratorio. Estos métodos FTIR se han utilizado durante mucho tiempo para plásticos y se extendieron a los materiales compuestos en 2018, cuando Krauklis, Gagani y Echtermeyer introdujeron el método. [20] El método FTIR utiliza los máximos de la banda de absorbancia a aproximadamente 5200 cm−1 que se correlaciona con el contenido de agua real en el material.