Fundamentos de la espectroscopía FTIR

La espectroscopía infrarroja estudia la interacción entre la radiación infrarroja y la materia. Se basa en la capacidad de casi todas las moléculas de absorber radiación infrarroja a longitudes de onda específicas. Cada molécula presenta un patrón de absorción característico, a menudo relacionado con sus grupos funcionales. Este patrón de absorción puede utilizarse como una "huella dactilar" para identificar sustancias. Un espectrómetro infrarrojo mide estas absorciones y genera un espectro infrarrojo que permite identificar compuestos químicos y determinar su estructura.^[6]

En el análisis rutinario, la región más importante es la del infrarrojo medio, normalmente de 4.000 a 400 cm⁻¹. 

Para profundizar en este tema, consulte "¿Qué es la luz: una partícula o una onda?"
La radiación electromagnética se propaga por el espacio transportando una determinada cantidad de energía. Esta energía es proporcional a la frecuencia de oscilación ν, que está relacionada con la longitud de onda λ a través de la velocidad de la luz c (Ecuación 1):
 

Por lo tanto, una onda luminosa (o fotón) transporta una energía E mayor cuanto mayor es la frecuencia o, de forma equivalente, cuanto menor es la longitud de onda (Ecuación 2).

Por razones históricas, los espectroscopistas también suelen utilizar el número de onda ṽ, definido como el inverso de la longitud de onda. El número de onda es directamente proporcional a la energía del fotón (ecuación 3) y suele expresarse en centímetros inversos (cm^⁻¹) para trabajar con valores más manejables.

La descripción anterior es válida para una sola onda de luz o un único fotón. Sin embargo, un haz de luz está formado por muchas ondas luminosas de distintas frecuencias que se propagan en la misma dirección. Cada frecuencia aporta al haz una intensidad I (es decir, un número determinado de fotones por unidad de tiempo). La intensidad de un haz de luz es, en última instancia, la magnitud que mide el detector de un espectrómetro.

La distribución de intensidades en todas las frecuencias constituye el espectro del haz de luz. El ojo humano solo puede percibir una pequeña parte de las frecuencias de la luz («luz visible»). Otras regiones del espectro incluyen la radiación de microondas, la radiación infrarroja, la ultravioleta (UV) y los rayos X. La espectroscopía IR emplea radiación infrarroja (IR) para la excitación.^[8],[9],[10]
 

Un espectro infrarrojo es una representación gráfica de la intensidad medida en función del número de onda. Cuando el espectro se representa en absorbancia, los picos apuntan hacia arriba e indican en qué regiones la muestra absorbió radiación infrarroja. Cuando esos mismos datos se representan en transmitancia, los picos apuntan hacia abajo. En la mayoría de las aplicaciones analíticas, se prefiere la absorbancia porque constituye la base adecuada para el análisis cuantitativo, la sustracción espectral y la búsqueda en bibliotecas espectrales. 

Cada pico corresponde a una vibración molecular asociada a un grupo funcional de la molécula. El patrón global refleja la estructura química de la muestra. Por ello, la FTIR suele describirse como una técnica de identificación por huella digital. Al mismo tiempo, la altura del pico está relacionada con la concentración según la ley de Lambert–Beer:

 A = absorbancia 
ε = constante (absortividad) 
l = longitud de paso óptico 
c = concentración 

Esta combinación hace que la FTIR sea útil no solo para identificar materiales, sino también para determinar la cantidad de un componente presente.
 

Un espectrómetro FTIR consta de los siguientes componentes:

• Fuente de radiación infrarroja
• Interferómetro con divisor de haz
• Celda de muestra
• Detector
• Unidad de procesamiento para la transformada rápida de Fourier

El corazón de cualquier espectrómetro FTIR es el interferómetro. En lugar de separar la radiación por longitudes de onda mediante rendijas y rejillas de difracción, el divisor de haz la divide en dos haces, varía la diferencia de camino óptico entre ellos mediante un espejo móvil y, a continuación, los recombina. Antes de llegar al detector, la radiación infrarroja atraviesa la muestra en el compartimento de muestras, donde determinadas vibraciones moleculares absorben longitudes de onda características. Como resultado, la radiación transmitida contiene la información de absorción de la muestra. El detector registra esta señal variable en forma de interferograma. Mediante la transformada de Fourier, ese interferograma se convierte en el espectro convencional.

En la práctica rutinaria, el instrumento registra primero un espectro de fondo y luego el de la muestra. Al formar el cociente entre ambos espectros, se eliminan la mayoría de las contribuciones instrumentales y del entorno, y se obtiene el espectro de la muestra. Un láser integrado sirve como referencia interna de número de onda, lo que explica en parte la elevada reproducibilidad de las posiciones de los picos en FTIR.

Este diseño hace que llegue más radiación al detector, permite medir simultáneamente todas las longitudes de onda y mantiene la precisión del número de onda gracias a la referencia láser.

Estas son las principales razones por las que los instrumentos de espectroscopía FTIR pueden superar a los sistemas dispersivos de IR más antiguos en el trabajo diario de laboratorio.

¿Por qué absorben radiación infrarroja las moléculas?

En espectroscopía IR, las vibraciones moleculares se excitan al absorber radiación infrarroja. Esto da lugar a cambios en la longitud y en los ángulos de enlace de la molécula. Se distinguen dos categorías principales de vibraciones (véase la figura 4)^[2]:

1. Vibraciones de valencia (estiramiento): implican cambios en la longitud de los enlaces entre átomos.

   • Estiramiento simétrico: todos los átomos implicados se acercan o se alejan simultáneamente
   • Estiramiento asimétrico: un átomo se acerca a otro, mientras que el otro se aleja

    

2. Vibraciones de deformación (flexión): implican cambios en los ángulos de enlace.
   • Flexión: dos átomos se acercan o se alejan entre sí sin cambiar la longitud de los enlaces
   • Aleteo: los átomos oscilan hacia delante y hacia atrás en el mismo plano
   • Balanceo: el movimiento se produce fuera del plano molecular
   • Torsión: movimiento de giro alrededor del eje del enlace

Número de grados de libertad

La molécula más sencilla es un sistema diatómico, como el oxígeno molecular (O₂), el nitrógeno molecular (N₂) o el monóxido de carbono (CO). Estas moléculas tienen un único grado de libertad vibracional a lo largo del eje del enlace, ya que los dos átomos solo pueden moverse el uno respecto del otro a lo largo de la línea que los une. Este movimiento se denomina vibración de estiramiento, o de valencia.^[3] En las moléculas poliatómicas, la presencia de más átomos permite modos vibracionales independientes adicionales. Estos se denominan modos normales. El número de estos modos normales depende de las posibilidades de movimiento de cada átomo. Cada átomo tiene tres grados de libertad, correspondientes al movimiento en las tres direcciones espaciales. Por tanto, una molécula con N átomos tiene un total de 3N grados de libertad.^[3],[4] Como los átomos de una molécula están unidos por enlaces químicos, no pueden moverse de forma totalmente independiente. No obstante, la molécula no es rígida, por lo que puede haber movimientos relativos entre los átomos. En consecuencia, los grados de libertad totales de una molécula pueden dividirse de la siguiente manera^[4]:

• Tres grados de libertad corresponden a la traslación (es decir, al movimiento de toda la molécula en las direcciones x, y y z)
• Dos grados de libertad (en moléculas lineales) o tres (en moléculas no lineales) corresponden a la rotación alrededor de los ejes espaciales
• Los grados de libertad restantes corresponden a los movimientos vibracionales de los átomos dentro de la molécula. Esto significa que las moléculas lineales tienen 3N−5 modos vibracionales, mientras que las moléculas no lineales tienen 3N−6 modos vibracionales.[5]

Un ejemplo es la molécula lineal de dióxido de carbono (CO₂), compuesta por tres átomos. Por tanto, tiene 3 × 3 − 5 = 4 modos vibracionales: vibración de estiramiento simétrico, vibración de estiramiento asimétrico y dos vibraciones de flexión, una en el plano y otra fuera del plano del esquema. En cambio, la molécula de agua (H₂O), que es angular, también consta de tres átomos, pero tiene 3 × 3 − 6 = 3 modos vibracionales.

Tipos de vibraciones y sus efectos en la región de absorción

El grupo carbonilo es un grupo funcional común en química que, debido a su momento dipolar permanente, origina bandas muy características asociadas a la vibración de estiramiento del enlace C=O. El número de onda de esta banda (o bandas) depende en gran medida del entorno químico del grupo carbonilo. Los efectos de deslocalización pueden modificar la fuerza del enlace C=O, lo que desplaza la banda infrarroja. Los intervalos típicos de número de onda para diversos grupos funcionales se muestran en la Tabla 2 y la Figura 6.^[9]

Tabla 2: Resumen de vibraciones relevantes.[9]

Una gran ventaja de la espectroscopía FTIR es que los métodos de muestreo habituales requieren una preparación mínima de la muestra. 
Los tres métodos principales de muestreo son:

• Transmisión
• Reflectancia total atenuada (ATR)
• Reflectancia especular y espectroscopía infrarroja por transformada de Fourier de reflectancia difusa (DRIFTS)

Transmisión

Los métodos de transmisión se consideran muy fiables porque permiten obtener espectros de gran calidad, con líneas de base planas y bandas nítidas. Además, ofrecen un amplio campo de aplicación. Sin embargo, su principal limitación es la opacidad: la muestra debe ser lo bastante delgada o estar lo bastante diluida para que la absorción no sea ni insuficiente ni excesiva. 

Los sólidos suelen prensarse en pastillas de KBr, mientras que los líquidos se colocan en celdas de transmisión con pasos ópticos de entre 25 µm y 200 µm. Los gases requieren celdas de gas específicas, con pasos ópticos mucho mayores, de entre 5 cm y 20 m.^[1]

ATR

La reflectancia total atenuada (ATR) se ha convertido en el método de muestreo de FTIR de uso general más extendido, ya que permite analizar sólidos, polvos y líquidos sin necesidad de preparar la muestra. 

En ATR, el haz infrarrojo sufre una reflexión interna total en un cristal, lo que genera una onda evanescente que penetra solo unos pocos micrómetros en la muestra. 

El ATR con cristal de diamante es muy versátil, ya que este material ofrece resistencia química, gran robustez mecánica y una alta resistencia al rayado. En el trabajo rutinario, la medición con ATR de diamante suele ser la primera técnica que conviene probar.^[6]
 

DRIFTS y reflectancia especular

Para polvos y sólidos rugosos, la espectroscopía de reflectancia difusa (DRIFTS) puede ser especialmente útil. Para superficies metálicas lisas o recubrimientos sobre metales brillantes, resultan útiles la reflectancia especular y los métodos de reflexión-absorción. Estas técnicas pueden reducir el tiempo de preparación, pero por lo general son más sensibles a las características de la superficie y pueden generar espectros más ruidosos que las mediciones de transmisión de alta calidad.

En general, la regla práctica es sencilla: para sólidos, polvos, polímeros, líquidos y semisólidos, ATR suele ser la técnica de partida preferida; para gases, las celdas de transmisión siguen siendo el método estándar.^[1]