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espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier

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 material s...

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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 material sólido, líquido o gaseoso. Un espectrómetro FTIR recopila datos espectrales de alta resolución en un amplio rango espectral, desde la región del infrarrojo cercano hasta la del infrarrojo lejano. Esto supone una ventaja significativa con respecto a 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 proviene del hecho de que se requiere una transformada de Fourier (un proceso matemático) para convertir los datos brutos en el espectro real.

Ejemplo de un espectrómetro FTIR con un accesorio de reflectancia total atenuada (ATR).

Introducción conceptual

Un interferograma FTIR. El pico central se encuentra en la posición ZPD ("diferencia de trayectoria cero" o retardo cero), donde la cantidad máxima de luz pasa a través del interferómetro hasta el detector.

Las técnicas de espectroscopia de absorción (por ejemplo, FTIR, espectroscopia ultravioleta-visible ("UV-vis") ) miden la cantidad de luz que absorbe una muestra en cada longitud de onda. [ 2 ] La forma más sencilla de hacerlo, la técnica de "espectroscopia dispersiva", consiste en iluminar una muestra con un haz de luz monocromática , medir la cantidad de luz absorbida y repetir el proceso para cada longitud de onda. Algunos espectrómetros UV-vis utilizan la técnica de espectroscopia dispersiva para realizar mediciones.

La espectroscopia de transformada de Fourier es una forma menos intuitiva de obtener la misma información. En lugar de iluminar la muestra con un haz de luz monocromático (un haz compuesto por una sola longitud de onda), esta técnica ilumina la muestra con un haz que contiene múltiples frecuencias de luz simultáneamente y mide la cantidad de dicho haz que absorbe la muestra. A continuación, el haz se modifica para contener una combinación diferente de frecuencias, lo que proporciona un segundo dato. Este proceso se repite rápidamente muchas veces en un corto período de tiempo. Posteriormente, un ordenador procesa todos estos datos y calcula la absorción en cada longitud de onda. [ 2 ]

El haz descrito anteriormente se genera a partir de una fuente de luz de banda ancha, que contiene todo el espectro de longitudes de onda que se van a medir. La luz incide en un interferómetro de Michelson , una configuración específica de espejos, uno de los cuales se mueve mediante un motor. A medida que este espejo se mueve, cada longitud de onda del haz se bloquea y transmite 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 instante 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".

Historia

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 4000 cm −1 a 660  cm −1 ). El límite inferior de longitud de onda 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 dispersor era un prisma hecho de un solo cristal de sal de roca ( cloruro de sodio ), que se vuelve opaco a longitudes de onda mayores a unos 15  μm; esta región espectral se conoció como la región de la sal de roca. Instrumentos posteriores utilizaron prismas de bromuro de potasio para extender el rango a 25 μm (400  cm −1 ) y yoduro de cesio a 50  μm (200  cm −1 ). La región más allá de 50 μm (200  cm⁻¹ ) se conoció como la región del infrarrojo lejano; a longitudes de onda muy largas, se fusiona con la región de las microondas . Las mediciones en el infrarrojo lejano requirieron el desarrollo de redes de difracción de precisión para reemplazar los prismas como elementos dispersores, 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. Un ejemplo de ello fue el detector Golay . Otro problema es la necesidad de excluir el vapor de agua atmosférico , ya que este tiene un intenso espectro rotacional puro en esta región. Los espectrofotómetros de infrarrojo lejano eran engorrosos, lentos y costosos. Las ventajas del interferómetro de Michelson eran bien conocidas, pero hubo que superar considerables dificultades técnicas antes de que se pudiera construir un instrumento comercial. También se necesitaba una computadora electrónica para realizar la transformada de Fourier requerida, y esto solo se hizo factible con la llegada de las minicomputadoras , como la PDP-8 , que estuvo disponible en 1965. Digilab fue pionera en el primer espectrómetro FTIR comercial del mundo (modelo FTS-14) en 1969. [ 1 ] Los FTIR de Digilab ahora forman parte de la línea de productos moleculares de Agilent Technologies después de que Agilent adquiriera el negocio de espectroscopia de Varian . [ 4 ] [ 5 ]

interferómetro de Michelson

Diagrama esquemático de un interferómetro de Michelson, configurado para FTIR.

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 en ambos espejos y regresa al divisor de haz, y una fracción de la luz original pasa al compartimento de la muestra. Allí, la luz se enfoca sobre la muestra. Al salir del compartimento de la muestra, la luz se vuelve a enfocar sobre el detector. La diferencia en la longitud del camino óptico entre los dos brazos del interferómetro se conoce como retardo o diferencia de camino óptico (DCO). Se obtiene un interferograma variando la DCO y registrando la señal del detector para diferentes valores de la DCO . 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 DCO cero, cuando hay interferencia constructiva en todas las longitudes de onda, seguido de una serie de oscilaciones. La posición de OPD cero se determina con precisión encontrando 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 diversos mecanismos de escaneo para generar la diferencia de trayectoria. En todos estos sistemas, es fundamental asegurar que los dos haces se recombinen exactamente durante el escaneo. Los sistemas más sencillos cuentan con un espejo plano que se mueve linealmente para variar la trayectoria de uno de los haces. En este caso, el espejo móvil no debe inclinarse ni oscilar, ya que esto afectaría la superposición de los haces al recombinarse. Algunos sistemas incorporan un mecanismo de compensación que ajusta automáticamente la orientación de un espejo para mantener la alineación. Entre las soluciones que evitan este problema se encuentran los reflectores de esquina cúbicos, que en lugar de espejos planos, reflejan cualquier haz incidente en una dirección paralela, independientemente de su orientación.

Esquemas de interferómetros donde la diferencia de trayectoria se genera mediante un movimiento rotatorio.

Los sistemas donde la diferencia de trayectoria se genera mediante un movimiento rotatorio han demostrado ser muy eficaces. Un sistema común incorpora un par de espejos paralelos en un haz que pueden girarse para variar la trayectoria sin desplazar el haz reflejado. Otro diseño es el de doble péndulo, donde la trayectoria en un brazo del interferómetro aumenta a medida que disminuye en el otro.

Un enfoque bastante diferente consiste en introducir una cuña de un material transparente al infrarrojo, como el KBr , en uno de los haces. Al aumentar el grosor del KBr en el haz, se incrementa la trayectoria óptica debido a que su índice de refracción es mayor que el del aire. Una limitación de este método 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.

Medición y procesamiento del interferograma

El interferograma debe medirse desde una diferencia de trayectoria nula hasta una longitud máxima que depende de la resolución requerida. En la práctica, el barrido puede realizarse a ambos lados de cero, lo que da como resultado un interferograma de doble cara. Las limitaciones de diseño mecánico pueden implicar que, para obtener la máxima resolución, el barrido se extienda hasta la diferencia de trayectoria óptica máxima solo en un lado de cero.

El interferograma se convierte en un espectro mediante la transformada de Fourier. Esto requiere que se almacene en formato 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 (típicamente se utiliza un láser HeNe  de 633 nm ). Esto puede activar un convertidor analógico-digital para medir la señal infrarroja cada vez que la señal láser pasa por cero. Alternativamente, las señales láser e infrarroja pueden medirse sincrónicamente a intervalos más pequeños, y la señal infrarroja en los puntos que corresponden al cruce por cero de la señal láser se determina por interpolación. [ 6 ] Este enfoque permite el uso de convertidores analógico-digitales más exactos y precisos que los convertidores que pueden activarse, lo que resulta en un menor ruido.

Los valores del interferograma en los instantes que corresponden a los cruces por cero de la señal láser se obtienen mediante interpolación.

El resultado de la transformada de Fourier es un espectro de la señal en una serie de longitudes de onda discretas. El rango de longitudes de onda que se puede 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  μm (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 la OPD máxima. Las longitudes de onda utilizadas en el cálculo de la transformada de Fourier son tales que un número exacto de longitudes de onda se ajusta a la longitud del interferograma desde cero hasta la OPD máxima, 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 de la OPD máxima. Por ejemplo, una OPD máxima 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 a diferentes resoluciones eligiendo diferentes OPD. Los instrumentos para análisis de rutina suelen tener una resolución óptima de alrededor de0,5  cm −1 , mientras que se han construido espectrómetros con resoluciones tan altas como0,001  cm −1 , correspondiente a una OPD máxima de 10  m. El punto en el interferograma correspondiente a la diferencia de trayectoria cero debe identificarse, generalmente asumiendo que es donde ocurre la señal máxima. Este llamado estallido central no siempre es simétrico en espectrómetros reales, por lo que puede ser necesario calcular una corrección de fase. La señal del interferograma decae a medida que aumenta la diferencia de trayectoria, y la tasa de decaimiento es inversamente proporcional al ancho de las características en el espectro. Si la OPD no es lo suficientemente grande como para permitir que la señal del interferograma decaiga a un nivel despreciable, habrá oscilaciones o lóbulos laterales no deseados asociados con las características en el espectro resultante. Para reducir estos lóbulos laterales, el interferograma generalmente se multiplica por una función que tiende a cero en la OPD máxima. Esta llamada apodización reduce la amplitud de cualquier lóbulo lateral y también el nivel de ruido a costa de cierta reducción en la resolución.

Para un cálculo rápido, el número de puntos en el interferograma debe ser igual a una potencia de dos. Para lograrlo, se puede añadir una secuencia de ceros al interferograma medido. Se pueden añadir más ceros mediante un proceso llamado relleno de ceros para mejorar el aspecto del espectro final, aunque no se mejora la resolución. Como alternativa, la interpolación tras la transformada de Fourier proporciona un resultado similar.

Ventajas

Existen tres ventajas principales para un espectrómetro FT en comparación con un espectrómetro de barrido (dispersivo). [ 1 ]

  1. La multiplexación o ventaja de Fellgett (llamada así en honor a Peter Fellgett ) se debe a que la información de todas las longitudes de onda se recopila simultáneamente. Esto resulta en una mayor relación señal-ruido para un tiempo de escaneo dado en observaciones limitadas por una contribución fija de ruido del detector (típicamente en la región espectral del infrarrojo térmico, donde un fotodetector está limitado por el ruido de generación-recombinación ). Para un espectro con m elementos de resolución, este aumento es igual a la raíz cuadrada de m . Alternativamente, permite un tiempo de escaneo más corto para una resolución dada. En la práctica, a menudo se promedian múltiples escaneos, lo que aumenta la relación señal-ruido en la raíz cuadrada del número de escaneos.
  2. El rendimiento o ventaja de Jacquinot (llamada así por Pierre Jacquinot ). Esto se debe a que en un instrumento dispersivo, el monocromador tiene rendijas de entrada y salida que restringen la cantidad de luz que lo atraviesa. El rendimiento del interferómetro está determinado únicamente por el diámetro del haz colimado proveniente de la fuente. Aunque no se necesitan rendijas, los espectrómetros FTIR sí requieren una apertura para restringir la convergencia del haz colimado en el interferómetro. Esto se debe a que los rayos convergentes se modulan a diferentes frecuencias al variar la diferencia de trayectoria. Dicha apertura se llama diafragma de Jacquinot. [ 1 ] Para una resolución y longitud de onda dadas, esta apertura circular permite el paso de más luz que una rendija, lo que resulta en una mayor relación señal-ruido.
  3. La precisión de la longitud de onda, también conocida como la ventaja de Connes (en honor a Janine Connes ), se logra mediante la calibración de la escala de longitud de onda con un haz láser de longitud de onda conocida que atraviesa el interferómetro. Este método es mucho más estable y preciso que en los instrumentos dispersivos, donde la escala depende del movimiento mecánico de las rejillas de difracción. En la práctica, la precisión está limitada por la divergencia del haz en el interferómetro, la cual depende de la resolución.

Otra ventaja menor es la menor sensibilidad a la luz parásita, es decir, a la radiación de una longitud de onda que aparece en otra longitud de onda del espectro. En los instrumentos dispersivos, esto se debe a imperfecciones en las redes de difracción y a reflexiones accidentales. En los instrumentos de transformada de Fourier no existe un equivalente directo, ya que la longitud de onda aparente viene determinada por la frecuencia de modulación del interferómetro.

Resolución

El interferograma pertenece a la dimensión de longitud. La transformada de Fourier (TF) invierte la dimensión, por lo que la TF del interferograma pertenece a la dimensión de longitud recíproca ([L −1 ]), es decir, la dimensión del número de onda . La resolución espectral en cm −1 es igual al recíproco de la OPD máxima en cm. Así, se obtendrá una resolución de 4  cm −1  si la OPD máxima es de 0,25 cm; esto es típico de los instrumentos FTIR más económicos. Se puede obtener una resolución mucho mayor aumentando la OPD máxima. Esto no es fácil, ya que el espejo móvil debe desplazarse en una línea casi perfectamente recta. El uso de espejos de esquina en lugar de espejos planos es útil, ya que un rayo saliente de un espejo de esquina 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 el rendimiento es importante para la espectroscopia 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 venusino con una resolución de 0,1  cm⁻¹ . [ 7 ] El propio Michelson intentó separar la banda de emisión Hα del hidrógeno en el espectro de un átomo de hidrógeno en sus dos componentes utilizando su interferómetro. [ 1 ] p25

Motivación

La espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) es un método para medir los espectros de absorción y emisión infrarroja. Para obtener más información sobre por qué se miden estos espectros, es decir, por qué y cómo las sustancias absorben y emiten luz infrarroja, consulte el artículo: Espectroscopia infrarroja .

Componentes

Configuración del espectrómetro FTIR. La muestra se coloca justo delante del detector.

fuentes de infrarrojos

Los espectrómetros FTIR se utilizan principalmente para mediciones en las regiones del infrarrojo medio y cercano. Para la región del infrarrojo medio, de 2 a 25  μm (5000 a 400 cm⁻¹  ) , la fuente más común es un elemento de carburo de silicio (SiC) calentado a unos 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, de 1 a 2,5 μm (10 000 a 4000 cm⁻¹ ) , requieren una fuente de temperatura más alta, típicamente una lámpara de tungsteno-halógeno. La salida de longitud de onda larga de estas lámparas está limitada a unos 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 salida mayor que una fuente térmica. [ 8 ]         

Detectores

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 incidente. Los elementos sensibles de estos detectores son sulfato de triglicina deuterado (DTGS) o tantalato de litio (LiTaO₃ ) . 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 en situaciones que requieren 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 sin refrigeración o los DTGS son las opciones habituales en los sistemas de infrarrojo cercano. En el infrarrojo lejano, donde tanto las fuentes como los divisores de haz son ineficientes, se utilizan bolómetros de silicio o germanio refrigerados con helio líquido de alta sensibilidad.

divisor de haz

Interferómetro simple con divisor de haz y placa compensadora

Un divisor de haz ideal transmite y refleja el 50 % de la radiación incidente. Sin embargo, dado que cualquier material tiene un rango limitado de transmitancia óptica, se pueden utilizar varios divisores de haz indistintamente para cubrir un amplio rango espectral.

En un interferómetro de Michelson simple, un haz pasa dos veces a través del divisor de haz, pero el otro solo una vez. Para corregir esto, se incorpora una placa compensadora adicional del mismo espesor.

Para la región del infrarrojo medio, el divisor de haz suele estar hecho de KBr con un recubrimiento 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 extender el rango hasta aproximadamente 50 μm (200 cm⁻¹ ) . El ZnSe es una alternativa cuando el vapor de agua puede ser un problema, pero su uso se limita 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 ]

Reflectancia total atenuada

La reflectancia total atenuada (ATR) es un accesorio del espectrofotómetro FTIR que se utiliza para medir las propiedades superficiales de muestras sólidas o de película delgada, en lugar de sus propiedades volumétricas. Generalmente, la ATR tiene una profundidad de penetración de alrededor de 1 o 2 micrómetros, dependiendo de las condiciones de la muestra.

transformada de Fourier

En la práctica, el interferograma consiste en un conjunto de intensidades medidas para valores discretos de OPD. La diferencia entre valores sucesivos de OPD es constante. Por lo tanto, se requiere una transformada discreta de Fourier . Se utiliza el algoritmo de transformada rápida de Fourier (FFT).

Rango espectral

Infrarrojo lejano

Los primeros espectrómetros FTIR se desarrollaron para el rango del infrarrojo lejano. Esto se debe a la tolerancia mecánica necesaria para un buen rendimiento óptico, que está relacionada con la longitud de onda de la luz utilizada. 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 deben ser mejores que 1 μm. Un instrumento típico fue el interferómetro cúbico desarrollado en el NPL [ 10 ] y comercializado por Grubb Parsons . Este utilizaba un motor paso a paso para accionar el espejo móvil, registrando la respuesta del detector después de completar cada paso.

Infrarrojo medio

Con la llegada de los microordenadores económicos , fue posible disponer de un ordenador dedicado al control del espectrómetro, la recopilación de datos, la transformada de Fourier y la presentación del espectro. Esto impulsó el desarrollo de espectrómetros FTIR para la región de la sal gema. Fue necesario resolver los problemas de fabricación de componentes ópticos y mecánicos de ultra alta precisión. Actualmente, existe una amplia gama de instrumentos disponibles comercialmente. Si bien 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 velocidad constante, y el muestreo del interferograma se activa al encontrar 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 reinterpolen en una cuadrícula constante, como fue pionero James W. Brault . Esto confiere una precisión muy alta en el número de onda del espectro infrarrojo resultante y evita errores de calibración del número de onda.

Infrarrojo cercano

La región del infrarrojo cercano abarca el rango de longitudes de onda entre la región de la sal de roca y el inicio de la región visible , alrededor de los 750  nm. En esta región se pueden observar sobretonos de vibraciones fundamentales. Se utiliza principalmente en aplicaciones industriales como el control de procesos y la obtención de imágenes químicas .

Aplicaciones

La espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR) puede utilizarse en todas las aplicaciones donde antes se empleaba un espectrómetro dispersivo (véanse los enlaces externos). Además, la mejora en la sensibilidad y la velocidad ha abierto nuevas áreas de aplicación. Los espectros pueden medirse incluso en situaciones donde llega muy poca energía al detector. La espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier se utiliza en geología , [ 11 ] química, ciencia de materiales, botánica [ 12 ] y biología. [ 13 ]

Determinación del contenido de volátiles en materiales geológicos

La espectroscopia FTIR se utiliza a menudo en geología para cuantificar especies volátiles, H₂O y CO₂ , en minerales, vidrios e inclusiones fundidas. [ 14 ] Cuantificar las concentraciones de estos volátiles es importante, ya que estos volátiles influyen en las condiciones de almacenamiento del magma, la cristalización, la desgasificación y el estilo de erupción, todo lo cual modula las propiedades de los magmas como la densidad y la viscosidad. [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ] En vidrios de silicato e inclusiones fundidas, las bandas de absorbancia en el infrarrojo cercano y medio asociadas con H₂O ( disuelto en fundidos como OH⁻ o H₂O₂ ) [ 17 ] y CO₂ ( disuelto en fundidos como CO₃²⁻ o CO₂ ) [ 18 ] [ 19 ] pueden cuantificarse en concentraciones con la Ley de Beer-Lambert . En minerales nominalmente anhidros, se miden cantidades traza de H+ para comprender el almacenamiento de agua en el manto y otros procesos magmáticos.

Nanomateriales y materiales biológicos

La espectroscopia FTIR también se utiliza para investigar diversos nanomateriales y proteínas en entornos de membranas hidrofóbicas. Los estudios demuestran la capacidad de la FTIR para determinar directamente la polaridad en un sitio específico a lo largo de la cadena principal de una proteína transmembrana. [ 20 ] [ 21 ] Las características de los enlaces involucrados con diversos nanomateriales orgánicos e inorgánicos y su análisis cuantitativo pueden realizarse con la ayuda de la FTIR. [ 22 ] [ 23 ]

Microscopía e imágenes

Un microscopio infrarrojo permite observar muestras y medir espectros de regiones de tan solo 5 micras de diámetro. Las imágenes se pueden generar combinando un microscopio con detectores lineales o de matriz 2D . La resolución espacial puede alcanzar las 5 micras con decenas de miles de píxeles . Las imágenes contienen un espectro para cada píxel y se pueden visualizar como mapas que muestran la intensidad en cualquier longitud de onda o combinación de longitudes de onda. Esto permite observar la distribución de diferentes especies químicas dentro de la muestra . Esta técnica se ha aplicado en diversas aplicaciones biológicas, incluyendo el análisis de secciones de tejido como alternativa a la histopatología convencional , el examen de la homogeneidad de comprimidos farmacéuticos y la diferenciación de granos de polen morfológicamente similares . [ 24 ]

Nanoescala y espectroscopia por debajo del límite de difracción

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 campo cercano por barrido . La técnica correspondiente se denomina nano-FTIR y permite realizar espectroscopía de banda ancha en materiales en cantidades ultrapequeñas (virus individuales y complejos proteicos) con  una resolución espacial de 10 a 20 nm. [ 25 ]

FTIR como detector en cromatografía

La velocidad de la espectroscopia FTIR permite obtener espectros de compuestos a medida que se separan mediante cromatografía de gases. Sin embargo, esta técnica se utiliza poco en comparación con la cromatografía de gases-espectrometría de masas (GC-MS), 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 de analizar 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 , lo cual es posible utilizando disolventes clorados que no presentan absorción en la zona en cuestión.

TG-IR (análisis termogravimétrico-espectrometría infrarroja)

La medición del gas que se desprende al calentar un material permite la identificación cualitativa de las especies, complementando así la información puramente cuantitativa que proporciona la medición de la pérdida de peso.

Determinación del contenido de agua en plásticos y materiales compuestos

El análisis FTIR se utiliza para determinar el contenido de agua en piezas de plástico y materiales compuestos relativamente delgadas, más comúnmente en el laboratorio. Estos métodos FTIR se han utilizado durante mucho tiempo para plásticos y se extendieron a materiales compuestos en 2018, cuando Krauklis, Gagani y Echtermeyer introdujeron el método. [ 26 ] El método FTIR utiliza los máximos de la banda de absorbancia en aproximadamente5200  cm −1 , lo que se correlaciona con el contenido real de agua en el material.

Véase también

Referencias

  1. 1 2 3 4 5 Griffiths, P.; de Hasseth, JA (18 de mayo de 2007). Espectrometría infrarroja por transformada de Fourier (2.ª  ed.). Wiley-Blackwell . ISBN 978-0-471-19404-0.
  2. 1 2 3 4 5 Krishnan, Kannan M. (2021). Principios de caracterización y metrología de materiales ( Edición en rústica). Nueva York: Oxford University Press. págs. 173–178 . ISBN   978-0-19-883025-2.
  3. ↑ "El espectrofotómetro de doble haz Infracord". Clinical Science . 16 (2). 1957.
  4. ↑ "Agilent Technologies adquirirá Varian, Inc. por 1.500 millones de dólares" . Agilent . 27 de julio de 2009. Archivado del original el 13 de enero de 2017. Consultado el 5 de marzo de 2013 .
  5. ↑ "Agilent Technologies completa la adquisición de Varian, Inc., marcando un hito histórico para dos pioneros de Silicon Valley" . Agilent Technologies, Inc. 14 de mayo de 2010. Consultado el 4 de noviembre de 2023 .
  6. ↑ Brault, James W. (1996). "Nuevo enfoque para el diseño de espectrómetros de transformada de Fourier de alta precisión". Applied Optics . 35 (16): 2891– 2896. Bibcode : 1996ApOpt..35.2891B . doi : 10.1364/AO.35.002891 . PMID 21085438 . 
  7. ↑ Connes, J.; Connes, P. (1966). "Espectros planetarios en el infrarrojo cercano mediante espectroscopia de Fourier. I. Instrumentos y resultados". Journal of the Optical Society of America . 56 (7): 896– 910. Bibcode : 1966JOSA...56..896C . doi : 10.1364/JOSA.56.000896 .
  8. ↑ Smith, DR; Morgan, RL; Loewenstein, EV (1968). "Comparación de la radiancia de fuentes infrarrojas lejanas". J. Opt. Soc. Am . 58 (3): 433– 434. Bibcode : 1968JOSA...58..433S . doi : 10.1364/JOSA.58.000433 .
  9. ↑ Griffiths, PR; Holmes, C (2002). Manual de espectroscopia vibracional, vol . 1. Chichester: John Wiley and Sons .
  10. ↑ Chamberain, J.; Gibbs, JE; Gebbie, HE (1969). "La determinación de espectros de índice de refracción mediante espectrometría de Fourier". Infrared Physics . 9 (4): 189– 209. Bibcode : 1969InfPh...9..185C . doi : 10.1016/0020-0891(69)90023-2 .
  11. ↑ Singh, Iqbal (2008-09-01). "Geología renal (análisis cuantitativo de cálculos renales) mediante 'espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier'"". Urología y Nefrología Internacional . 40 (3): 595– 602. doi : 10.1007/s11255-007-9327-2 . ISSN 1573-2584 . PMID 18228157 . S2CID 2249696 .   
  12. ↑ Tsagkaris, AS; Bechynska, K.; Ntakoulas, DD; Pasias, IN; Weller, P.; Proestos, C.; Hajslova, J. (2023-06-01). "Investigación del impacto del preprocesamiento de datos espectrales para evaluar el origen botánico de la miel mediante espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR)" . Journal of Food Composition and Analysis . 119 105276. doi : 10.1016/j.jfca.2023.105276 . ISSN 0889-1575 . S2CID 257530876 .  
  13. ↑ Baker, Matthew J.; Trevisan, Júlio; Bassan, Paul; Bhargava, Rohit; Butler, Holly J.; Dorling, Konrad M.; Fielden, Peter R.; Fogarty, Simon W.; Fullwood, Nigel J.; Heys, Kelly A.; Hughes, Caryn; Lasch, Peter; Martin-Hirsch, Pierre L.; Obinaju, Blessing; Sockalingum, Ganesh D. (2014). " Uso de la espectroscopia IR de transformada de Fourier para analizar materiales biológicos" . Nature Protocols . 9 (8): 1771– 1791. doi : 10.1038/nprot.2014.110 . ISSN 1750-2799 . PMC 4480339. PMID 24992094 .   
  14. 1 2 von Aulock, FW; Kennedy, BM; Schipper, CI; Castro, JM; E. Martin, D.; Oze, C.; Watkins, JM; Wallace, PJ; Puskar, L.; Bégué, F.; Nichols, ARL; Tuffen, H. (2014-10-01). "Avances en la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier de vidrios naturales: desde la preparación de muestras hasta el análisis de datos" . Lithos . 206–207 : 52–64 . doi : 10.1016/j.lithos.2014.07.017 . ISSN 0024-4937 . 
  15. ↑ Shi, Sarah; Towbin, William Henry; Plank, Terry; Barth, Anna; Rasmussen, Daniel; Moussallam, Yves; Lee, Hyun Joo; Menke, William (26 de julio de 2024). "PyIRoGlass: Un algoritmo bayesiano MCMC de código abierto para ajustar líneas base a espectros FTIR de vidrios basáltico-andesíticos" . Volcanica . 7 (2): 471– 501. doi : 10.30909/vol.07.02.471501 . ISSN 2610-3540 . 
  16. ↑ Barth, Anna; Portnyagin, Maxim; Mironov, Nikita; Holtz, Francois; Moussallam, Yves; Rose-Koga, Estelle F.; Rasmussen, Daniel; Towbin, Henry; Gonnermann, Helge; Mutch, Euan JF; Rotolo, Silvio G.; Plank, Terry (2024-10-01). "Rápida, furiosa y gaseosa: la erupción explosiva del Etna desde el manto" . Earth and Planetary Science Letters . 643 118864. doi : 10.1016/j.epsl.2024.118864 . hdl : 10447/653474 . ISSN 0012-821X . 
  17. ^ Stolper, Edward (1 de diciembre de 1982). "La especiación del agua en silicatos se funde" . Geochimica et Cosmochimica Acta . 46 (12): 2609–2620.doi : 10.1016 / 0016-7037(82)90381-7 . ISSN 0016-7037 . 
  18. ↑ Stolper, Edward; Holloway, John R. (1988-03-01). "Determinación experimental de la solubilidad del dióxido de carbono en basalto fundido a baja presión" . Earth and Planetary Science Letters . 87 (4): 397– 408. doi : 10.1016/0012-821X(88)90004-0 . ISSN 0012-821X . 
  19. ↑ Dixon, Jacqueline Eaby; Stolper, Edward M. (1995-12-01). "Un estudio experimental de la solubilidad del agua y el dióxido de carbono en líquidos basálticos de dorsales oceánicas. Parte II: Aplicaciones a la desgasificación" . Journal of Petrology . 36 (6): 1633– 1646. doi : 10.1093/oxfordjournals.petrology.a037268 . ISSN 1460-2415 . 
  20. ↑ Manor, Joshua; Feldblum, Esther S.; Arkin, Isaiah T. (2012). "Polaridad ambiental en proteínas mapeada de forma no invasiva mediante espectroscopia FTIR" . The Journal of Physical Chemistry Letters . 3 (7): 939– 944. doi : 10.1021/jz300150v . PMC 3341589. PMID 22563521 .  
  21. ↑ Brielle, Esther S.; Arkin, Isaiah T. (2018). "Intercambio de hidrógeno específico del sitio en un entorno de membrana analizado mediante espectroscopia infrarroja". The Journal of Physical Chemistry Letters . 9 (14): 4059– 4065. doi : 10.1021/acs.jpclett.8b01675 . PMID 29957958. S2CID 49621115 .  
  22. ↑ "Modificaciones estructurales, funcionales y de ordenamiento magnético en óxido de grafeno y grafito por irradiación con iones de oro de 100 MeV". Vacuum. 182: 109700. 1 de diciembre de 2020. doi:10.1016/j.vacuum.2020.109700
  23. ↑ Deepty, M., Ch Srinivas, E. Ranjith Kumar, N. Krisha Mohan, CL Prajapat, TV Chandrasekhar Rao, Sher Singh Meena, Amit Kumar Verma y DL Sastry. «Estudios espectroscópicos de XRD, EDX, FTIR y ESR de nanopartículas de ferrita de Zn sustituidas con Mn coprecipitadas». Ceramics International 45, n.º 6 (2019): 8037-8044. https://doi.org/10.1016/j.ceramint.2019.01.029
  24. ↑ Scoble, Laura; Ussher, Simon J.; Fitzsimons, Mark F.; Ansell, Lauren; Craven, Matthew; Fyfe, Ralph M. (2024-02-01). "Optimización de métodos de clasificación para diferenciar granos de polen morfológicamente similares a partir de espectros FT-IR" . Review of Palaeobotany and Palynology . 321 105041. Bibcode : 2024RPaPa.32105041S . doi : 10.1016/j.revpalbo.2023.105041 . ISSN 0034-6667 . 
  25. ^ Amenábar, Iban; Poli, Simón; Nuansing, Wiwat; Hubrich, Elmar H.; Govyadinov, Alexander A.; Huth, Florian; Krutokhvostov, romano; Zhang, Lianbing; Knez, Mato (4 de diciembre de 2013). "Análisis estructural y mapeo de complejos proteicos individuales mediante nanoespectroscopia infrarroja" . Comunicaciones de la naturaleza . 4 2890. Código Bib : 2013NatCo...4.2890A . doi : 10.1038/ncomms3890 . ISSN 2041-1723 . PMC 3863900 . PMID 24301518 .   
  26. ↑ Krauklis, AE; Gagani, AI; Echtermeyer, AT (2018). "Método espectroscópico de infrarrojo cercano para monitorear el contenido de agua en resinas epoxi y compuestos reforzados con fibras" . Materials . 11 ( 4): 586– 599. Bibcode : 2018Mate...11..586K . doi : 10.3390/ma11040586 . PMC 5951470. PMID 29641451 .  
  • Fotografía del espectrómetro Infracord
  • Espectroscopia con interferómetro cúbico Grubb-Parsons-NPL , parte 2, por Dudley Williams, página 81
  • Materiales infrarrojos. Propiedades de muchos cristales de sal y enlaces útiles.
  • Ejemplo de laboratorio FTIR de la universidad. Archivado el 10/01/2017 en Wayback Machine desde la Universidad de Bristol.
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