En él post anteriorpresenté una breve explicación a lo que se refiere a la espectroscopia IR (infrarrojo) que básicamente consiste en el estudio molecular de la radiación infrarroja, donde las moléculas absorben la radiación para luego convertirse en calor.

La espectroscopia infrarroja es una técnica que permite estudiar la vibración y rotación de las moléculas en la región infrarroja del espectro electromagnético.

^{Configuración de FTIR en la línea de haz infrarrojo Licencia Creative Commons Attribution-Share Alike 3.0 de SPAT}

La espectroscopia FTIR será el tema a tratar en este post sus siglas se refieren a la La espectroscopia infrarroja de transformada de Fourier, es una técnica de medición basada en espectroscopia IR a diferencia que en este tipo de medición, se usa otro tipo de instrumento para realizar las medidas y el proceso matemático transforma los datos obtenidos sin procesar el espectro real, pero de igual forma su principal función es registrar los espectros infrarrojos de absorción o emisión, ya sea de un sólido, líquido o gas.

El objetivo principal de la espectroscopia FTIR, es medir la absorción de la luz a través de una muestra, es decir que tan bien puede absorber la luz el espécimen. Para esto siempre se usado la espectroscopia dispersiva, que básicamente hace brillar un haz de luz monocromática en el material que se desea caracterizar, este mide la cantidad de luz que absorbe la muestra y se repite para cada longitud de onda diferente.

Un equipo FTIR recoge simultáneamente datos de una amplia región espectral con una excelente resolución, esto se traduce en que la técnica FTIR tiene una ventaja considerable respecto a las técnicas dispersivas, ya que esta última mide en un pequeño rango.

Entonces la técnica FTIR permite obtener espectros del rango infrarrojo, para esto usamos un interferómetro
que recoge la señal de la muestra y la interpreta a través de un interferograma que luego realiza la Transformada de Fourier y finalmente obtenemos el espectro.

Un espectrómetro FT-IR recopila y digitaliza el interferograma, realiza la función FT y muestra el espectro.

Luego de leer esta pequeña introducción, a continuación explicare en breve resumen todos los parámetros utilizados para describir la técnica FTIR.

En primer lugar, debemos saber cómo funciona la técnica de espectroscopia FTIR, que por lo general se basa en la configuración experimental del interferómetro de Michelson. Hace algunos meses atrás publiqué un post sobre la determinación de longitudes onda a través del interferómetro de Michelson, puedes ver el post aquí. La configuración del interferómetro es simple y muchos quizás la conocemos, este contiene un divisor de haz que se encarga de transmitir y reflejar el 50% de la radiación incidente, un espejo fijo y otro movible. El principio básico de esta configuración consiste en que el divisor de haz que transmite la mitad de la luz y la otra la refleja, esta luz o radiación de la fuente golpea el divisor de haz separándolos en dos partes iguales, un haz se transmite por medio del divisor al espejo fijo y el otro al espejo movible, estos espejos reflejan la luz hacia el divisor de haz nuevamente y la mitad de esta luz reflejada se transmite y la otra mitad se refleja al divisor de haz, es prácticamente un ida y vuelta de la radiación a través del interferómetro de Michelson lo que trae como resultado que un haz de luz pase al detector y el otro regrese a la fuente.

En este experimento se genera una diferencia trayectoria óptica llamada OPD, que viene siendo la diferencia de los dos haces de luz que viajan a través del interferómetro, este es el producto de la distancia recorrido por los haces a través del espejo móvil, entonces multiplicando por 2,4,6 u otra seria multiplicadora, que viene siendo el número de elementos reflectantes que utilizamos durante la medida y n el índice de refracción del medio. Todos estos datos sin procesar consisten en pares valores de la señal OPD.

Otro punto importante a destacar acerca de la medición y procesamiento es que el FTIR lleva un punto de referencia cuando los espejos fijos y movibles están en la misma distancia que el divisor de haz, a esta diferencia o condición le llamamos desplazamiento del espejo móvil, donde Δ se mide desde esta condición de desplazamiento.

La diferencia de la diferencia óptica se puede escribir a través de esta expresión: OPD = 2Δn.

El interferograma es el formato de la señal emitida por el espectrómetro. Cuando la diferencia OPD de diversas longitudes de onda producen picos en diferentes posiciones para una señal de banda ancha, estas no vuelven alcanzar nuevamente a los picos en el mismo tiempo, esto significa que nos vamos alejando del centro y la función del interferograma es convertir la señal que está oscilando frecuentemente que es bastante compleja en una señal con una amplitud que va decreciendo

^{Interferograma FTIR Imagen de dominio público con licencia Creative Commons atribución 1.0 de Sbyrnes321}

Cuando tenemos un interferograma de una fuente de luz de banda ancha, en la explosión central como muestra el interferograma se encuentra una fuente de banda ancha, esto se traduce en el hecho de que todas las longitudes de onda que recorren el camino del interferómetro están en la fase de la diferencia de ruta ZPD, las contribuciones al máximo lo que produce una señal sumamente fuerte como se ve en la figura.

El eje X del interferograma representa la diferencia del camino óptico. Cada componente espectral individual aporta una única sinusoide con una frecuencia inversamente proporcional a su longitud de onda a esta señal. Esto nos lleva a la definición de la unidad de medida espectral: el número de onda (cm -1), denotado como n. Un número de onda representa el número de ondas completas de una longitud de onda particular por cm de longitud (normalmente en vacío, donde el índice de refracción n = 1). La ventaja de definir el espectro en números de onda es que están directamente relacionados con los niveles de energía. Una característica espectral a 4.000 cm -1 de ubicación espectral representa una transición entre dos niveles moleculares separados por dos veces la energía de una transición con firma espectral a 2.000 cm -1.

Ahora bien la parte importante y es donde recibe el nombre esta técnica y la hace diferentes a las demás y es que una vez que obtenemos todos los datos de medición que recogieron en el interferograma, debemos realizar la conversión a través del algoritmo de la transformada de fourier, el espectro ya sea de absorción, emisión o transmisión se obtiene a partir de esta transformada que se usa para calcular señales de y filtrado digital en general a la resolución de ecuaciones en derivadas parciales o los algoritmos de multiplicación rápida de grandes enteros

Debemos tener en cuenta ciertos detalles a la hora de realizar este tipo de cálculos ya que se están involucrados muchos pasos para obtener el espectro, es aquí donde la configuración del equipo juega una parte fundamental para obtener resultados fiables, ya que las imperfecciones y limitaciones del equipo se deben adaptar a los pasos de corrección de fase y mejoramiento. Dichas imperfecciones electrónicas y ópticas pueden ocasionar retardos de tiempo o fase de algunos componentes espectrales. Un proceso de mejoramiento se utiliza para corregir problemas respecto a fugas espectrales que consiste en la creación de ciertas características que se acoplan a los espectros en la exploración en sus límites, entonces la Transformada de Fourier juega un papel importante porque tendrá un contenido espectral muy amplio.

El interferograma en la práctica consiste en un conjunto de intensidades medidas para valores discretos de retraso. La diferencia entre los 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 FT-IR son capaces de alta resolución porque el límite de resolución es simplemente una inversa de la diferencia de trayectoria óptica alcanzable, OPD. Por lo tanto, un instrumento con capacidad OPD de 2 cm, puede alcanzar una resolución de 0,5 cm -1.

^{Una configuración moderna nano-FTIR licencia internacional Creative Commons Attribution-Share Alike 4.0 de Clearscience}

La espectroscopia FTIR posee grandes ventajas esta posee un canal de frecuencia llamado multiplex este recopila la información de todas las longitudes de onda simultáneamente, el multiplex también compartida con otros detectores PDA y CCD. En un espectrómetro dispersivo las longitudes de onda se observan secuencialmente a diferencia de lo que acabo de señalar el FTIR registrar todo simultáneamente a medida que se escanea en la rejilla.

De igual forma los espectrómetros FTIR no necesitan rendijas para que puedan obtener una resolución eficiente, esto trae como consecuencia que en el FTIR el rendimiento es mucho mayor que el espectrómetro dispersivo, donde este recibe el nombre de la ventaja de Jacquinot debido a que el monocromador contiene ranuras de entrada y salida que registrar una buena cantidad y calidad de luz que pasa a través del monocromador.

El rendimiento del interferómetro se determina sólo por el diámetro del haz colimado que proviene de la fuente. Aunque no se necesitan ranuras, los espectrómetros FTIR requieren una apertura para restringir la convergencia del haz colimado en el interferómetro. Esto se debe a que los rayos convergentes se modulan en diferentes frecuencias a medida que varía la diferencia de trayectoria. Tal apertura se llama parada Jacquinot. [1] Para una resolución y una longitud de onda determinadas, esta apertura circular permite que pase más luz que una rendija, lo que resulta en una mayor relación señal-ruido.

Y por último presenta una alta resolución espectral y es de fácil calibración ya que se necesita un rayo láser que contenga una longitud de onda conocida y esta se calibra a través del interferómetro cuando el haz de luz pasa a través de él y se ubica en el centro, presenta mayor estabilidad y precisión que los espectrómetros dispersivos.

Las aplicaciones son muchas se usa en materiales biológicos para estudiar proteínas.

Control de calidad de diversos materiales líquidos, sólidos y gaseoso, en especial polímeros, cauchos, entre otros.

También es usado para analizar capas delgadas y recubrimientos de compuestos químicos, síntesis orgánica. De igual forma es muy usado en la industria farmacéutica para verificar componentes medicinales, vitaminas, etc. Microanálisis de pequeñas secciones de materiales para identificar contaminantes. Monitorización de emisiones de automoción o chimenea. Estimación de contaminantes atmosféricos provenientes de los procesos industriales. Diversos nanomateriales y mucho más.

Próximo post espectroscopia UV.

Espero mi lectura os sea de su agrado. Nos vemos!!