¿Qué es FTIR?
La Espectroscopia Infrarroja por Transformada de Fourier, también conocida como Análisis FTIR o Espectroscopia FTIR, es una técnica analítica utilizada para identificar materiales orgánicos, poliméricos y, en algunos casos, inorgánicos. El método de análisis FTIR utiliza luz infrarroja para escanear muestras de prueba y observar las propiedades químicas.
¿Cómo funciona el FTIR?
El instrumento FTIR envía radiación infrarroja de unos 10.000 a 100 cm-1 a través de una muestra, con una parte de la radiación absorbida y otra que pasa. Las moléculas de la muestra convierten la radiación absorbida en energía rotacional y/o vibracional. La señal resultante en el detector se presenta como un espectro, normalmente de 4000 cm-1 a 400cm-1, que representa una huella molecular de la muestra. Cada molécula o estructura química producirá una huella espectral única, lo que hace que el análisis FTIR sea una gran herramienta para la identificación química.
¿Para qué se utiliza el FTIR?
La espectroscopia FTIR es una técnica establecida para el control de calidad cuando se evalúa un material fabricado industrialmente, y a menudo puede servir como primer paso en el proceso de análisis del material. Un cambio en el patrón característico de las bandas de absorción indica claramente un cambio en la composición del material o la presencia de contaminación. Si se identifican problemas en el producto mediante una inspección visual, el origen suele determinarse mediante el microanálisis FTIR. Esta técnica es útil para analizar la composición química de las partículas más pequeñas, normalmente de 10 a 50 micras, así como de las áreas más grandes de la superficie.
El análisis FTIR se utiliza para:
- Identificar y caracterizar materiales desconocidos (por ejemplo, películas, sólidos, polvos o líquidos)
- Identificar la contaminación sobre o en un material (por ejemplo, partículas, fibras, polvos o líquidos)
- Identificar aditivos después de la extracción de una matriz de polímero
- Identificar oxidación, descomposición o monómeros no curados en investigaciones de análisis de fallos
Interpretación espectral FTIR
Hemos demostrado que la espectroscopia FTIR es una herramienta muy potente con muchas aplicaciones, sin embargo la interpretación de los datos no es sencilla. Por naturaleza, el espectro total generado es una función en serie de la respuesta de energía absorbida (de ahí la parte de la transformada de Fourier del nombre). Las bandas absorbidas que se presentan en el espectro son sólo algo discretas y degenerativas. El «pico» particular de energía en un determinado número de onda puede moverse en función de otros factores químicos y matriciales (así como por la forma en que se introduce la energía incidente). Por lo tanto, no tenemos simplemente una tabla de «búsqueda» para decir a qué banda de energía particular pertenecerá absolutamente. El espectro debe interpretarse como un sistema completo y, por lo tanto, probablemente exige que los analistas más experimentados en todas las técnicas espectrográficas caractericen correctamente la funcionalidad presentada. Sí, hay bibliotecas que pueden producir información de búsqueda, pero estas bibliotecas son limitadas en alcance y profundidad en comparación con los millones de productos químicos industriales utilizados, y también no tendrán en cuenta las mezclas de productos químicos que pueden producir información de búsqueda errónea.
Aunque suele ser una herramienta cualitativa para la identificación de materiales, el análisis FTIR también puede utilizarse como herramienta cuantitativa para cuantificar grupos funcionales específicos, cuando se entiende la química y se dispone de materiales de referencia estándar. La intensidad de la absorbencia se correlaciona con la cantidad de funcionalidad presente en la muestra. Por ejemplo, utilizamos FTIR para el análisis cuantitativo para caracterizar la cantidad de agua en una muestra de aceite y el grado de oxidación y nitración de un aceite. Incluso hemos desarrollado un método para caracterizar el grado de parafina o naftenia de una muestra de aceite. Sin embargo, hay que tener en cuenta que FTIR es una técnica analítica «a granel», en el sentido de que se puede obtener poca información a partir de trazas o pequeñas concentraciones de material en una muestra (normalmente superior al 5% de constituyente).
Técnicas de introducción de muestras FTIR
Un análisis FTIR adecuado sólo es tan bueno como la capacidad de introducir y observar la energía de una matriz concreta. Afortunadamente, disponemos de muchas técnicas de preparación e introducción de muestras en el laboratorio para analizar adecuadamente la muestra. En los primeros días de la espectroscopia infrarroja, el único método de análisis disponible era la transmisión. Para el análisis por transmisión, la muestra debía hacerse translúcida al láser y a la energía infrarroja, introduciendo directamente la muestra en el camino óptico, fundiendo una película fina sobre un cristal de sal, o mezclando una versión en polvo de la muestra con una sal y fundiendo.
Hoy en día, sin embargo, tenemos la capacidad no sólo de utilizar técnicas de transmisión, sino también de reflectancia. Debido a la capacidad de enfocar y manipular el haz incidente con la óptica, generalmente nos basamos en variaciones de las técnicas ATR (Reflectancia Total Atenuada) para introducir y observar la energía. La ATR consiste en utilizar un fenómeno de reflectancia interna para propagar la energía incidente. El haz se introduce en un cristal con un ángulo de incidencia que permite que la reflectancia interna «rebote» en la parte inferior y superior del cristal antes de que abandone el cristal por el lado opuesto. Se hace que la muestra entre en contacto con el cristal en la parte superior, de forma que la interacción energética se produzca en la interfaz del cristal y la muestra, donde se encuentran las posiciones de rebote. Normalmente, cuantas más posiciones de rebote, mayor será la transferencia de energía (y, por tanto, mejor será la respuesta espectral); sin embargo, los sistemas de rebote único se utilizan cuando es necesario analizar un área muy pequeña.
Para muestras líquidas y en pasta muestras utilizaremos típicamente una técnica de rebote múltiple HATR (Horizontal Attenuated Total Reflectance) que consistirá en colocar la muestra sobre una placa de cristal o canaleta en posición horizontal de forma que la gravedad actúe para hacer el contacto íntimo con la célula. Se pueden utilizar diferentes cristales que afectarán a la profundidad de penetración en la muestra. Por ejemplo, utilizaremos un cristal de germanio para el análisis del caucho con el fin de limitar el efecto de los materiales altamente absorbentes del IR en el caucho (concretamente el negro de humo), pero para las muestras normales del día a día, el cristal de seleniuro de zinc es el cristal elegido por su durabilidad, resistencia a la humedad y profundidad de penetración.
Cuando busquemos enfocar el haz a pequeñas áreas de interés, utilizaremos un accesorio de micro-ATR en el banco de FTIR para enfocar el haz a un único cristal de ATR de rebote. Con la capacidad de observación óptica a través de la célula ATR podemos posicionar la muestra para que haga contacto íntimo con el cristal ATR con el área de irradiación ocupando aproximadamente 0,2mm de diámetro.
Cuando se requiere un posicionamiento preciso para caracterizar un área de la muestra, una capa o una partícula microfina, trasladamos el análisis a un sistema FTIR microscópico que tiene una resolución de posicionamiento del orden de 10 micras de diámetro. El FTIR microscópico en el modo de reflectancia nos permite introducir una sonda ATR justo en el área de interés utilizando la óptica microscópica junto con el haz infrarrojo enfocado. Esta técnica también nos permite resolver espacialmente la química diferencial en un área muy pequeña.
Además de las técnicas de reflectancia ATR anteriores, también disponemos de otras técnicas de reflectancia como la reflectancia especular, que es la medición de la energía de una reflectancia superficial verdadera en un único ángulo de medición; y la reflectancia difusa, que es la medición de la energía de una reflectancia superficial verdadera en múltiples ángulos de medición. Su analista consultor puede aconsejarle sobre qué técnica será la más adecuada para su aplicación, matriz y objetivo de medición.