Este documento describe los fundamentos y aplicaciones de la espectroscopia infrarroja por transformada de Fourier (FTIR). Explica que la FTIR mide las vibraciones moleculares excitadas por la luz infrarroja absorbida por una muestra. También describe los componentes clave de un espectrómetro FTIR como el interferómetro, y los diferentes tipos de accesorios como ATR y microscopía que permiten analizar diversos tipos de muestras. Finalmente, concluye que la FTIR es una técnica analítica versá

1. Curso Internacional"Métodos Modernos de Análisis de Materiales” ESPECTROSCOPIA Y MICROSCOPIA FTIR INFRARROJO POR TRANSFORMADAS DE FOURIER Ing. Bernardo Atahualpa Cordero Salcedo www.intracientific.com 1

2. Que es la luz infrarroja? 11/20/2009 2 Fundamento Espectroscopia Infrarroja La luz infrarroja es una porción del espectro electromagnético y esta justo después de la porción visible de la luz del sol. Para conveniencia de las aplicaciones y de la instrumentación, el espectro infrarrojo es dividido a su vez en CERCANO (Near Infrarred -NIR), MEDIO (Mid Infrarred- MID-IR), y LEJANO (far-infrared – FIR). La región mas usada para fines analíticos es la del MID-IR. Electric Power Microwave Gamma MID-IR X-Rays Visible Radio NIR FIR UV 4000 400 Frequency in cm-1 El espectro electromagnético puede ser dividido en regiones especificas incluyendo: Rayos Gama (Gamma rays), Rayos X (X-Rays), Ultravioleta (Ultraviolet), Visible, Infrarrojo (Infrared), Microondas (Microwave) y Radio. Vienen expresadas en frecuencia o en longitud de onda.

3. Fundamento Espectroscopia Infrarroja 11/20/2009 3 Si la energía de la luz infrarroja es absorbida por una muestra, esto causará una excitación de las vibraciones moleculares. Esta excitación causa el cambio de la amplitud de los enlaces químicos. Es este cambio el que se mide en ESPECTROSCOPIA INFRARROJA.

4. Qué tipo de muestras puede analizarse? 11/20/2009 GASES LÍQUIDOS SÓLIDOS Transparentes Opacos 11/20/2009 4

5. 5 Que significa ‘FT-IR’ FT-IR es un acrónimo para Fourier Transform Infrared spectroscopy. Espectroscopia de infrarrojo por Transformadas de Fourier. FT-IR tiene una tremenda ventaja en velocidad y exactitud produciendo un espectro de alta calidad. El FT-IR se esta convirtiendo en el estándar para el análisis IR de sólidos, líquidos y gases a través del uso de varios accesorios de muestra además puede ser acoplada a un microscopio para análisis de muestras muy pequeñas. Varian 620IR Microscopio de Imagen IR Varian 660IR con accesorio ATR Pike

6. 6 Esquema de un Espectrómetro FTIR Equivalencia con un UV-Vis: (Para mayor comprensión: Beamsplitter seria el Gratting Interferómetro sería el Monocromador El laser es la referencia con su propio detector La fuente (Source) seria la lámpara (s) de luz Uv-Vis Esquema típico de un espectrómetro FTIR. Dual-Source Assembly He-Ne Laser Interchangeable Beamsplitter 60 Degree Michelson DA Det. Interferometer External beam Sample Compartment B/S Storage Purge Shutters or Windows Mirror Flipper IR-Detector

7. 7 Esquema de un Espectrómetro FTIR Componentes y funcionamiento de la óptica FTIR Laser Fuente IR (Source) De referencia Detector Espejo móvil Laser Espejo fijo Detector IR Celda de muestra

8. 8 Creates an interference pattern Esquema de un Espectrómetro FTIR El Interferómetro es el corazón del Espectrómetro IR.. Esta compuesto por un espejo fijo, otro espejo móvil y un divisor de haz (beamsplitter), el espejo se mueve en forma muy precisa. Reference IR Source Laser Moving Mirror Laser Beamsplitter Detector Fixed Mirror

9. 9 FT- Transformada de Fourier 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 Wavenumbers (cm-1) Interferograma Espectro FT-IR Esquema de un FTIR , Que es un INTERFEROGRAMA? Un Interferometro produce un Interferogarma Un interferograma es el grafico de la intensidad IR vs. la posición del espejo móvil. (también llamada como la señal del detector vs. la diferencia de paso óptico) Mediante matemática (Transformadas de Fourier) se convierte un interferograma en un espectro mediante la separación de las frecuencias de absorbancia individuales y creando un grafico de intensidad vs. Numero de onda (Wavenumber) este es llamado Espectro FT-IR

10. 11/20/2009 10 Interferómetros Rapid scan vs. Step scan (Escaneo rápido vs Escaneo por pasos) Interferómetro de escaneo rápido (Rapid Scan): EL espejo móvil viaja a velocidad constante durante cada escaneo. Interferómetro de escaneo por pasos (Step Scan): El espejo móvil viaja paso por paso en forma discreta, Y es periódicamente parado a cada retardamiento óptico a la cual el interferograma es muestreado.

11. 11 Esquema Final de un espectrómetro FT-IR Referencia Laser Fuente IR (Source) Espejo Móvil Laser Detector Señal de referencia Laser Espejo fijo Detector IR Señal IR detectada (Interferograma) Celda de muestra

12. ESPECIFICACIONES de un FTIR a la hora de elegir uno… Parameter Varian 660 Porque la relación Señal/Ruido (SNR) es interesante? SNR (Signal to Noise Relation) mas grande permite ver analitos y componentes que podrían no ser observables con una relación mas pequeña. 10,000:1 SNR (5 sec) Spectral coverage range 50,000 – 20 cm-1 Porque es bueno este rango espectral? Y porque puede ser interesante? Un rango mas amplio permite elegir entre experimentos UV-Vis, Near-IR, Mid-IR, o Far-IR en el mismo instrumento. Resolution (unapodized) 0.07 cm-1 Energy Throughput at sample > 50 mW Porque es buena esta resolución? Esta resolución no apodizada (menor es mejor) significa que se puede caracterizar mucho mejor las muestras y diferenciar los picos que están unos muy cerca de otros (especialmente para gases, mezclas complejas, etc.). Upgradeable YES Dual Source/ Dual Detector Options YES YES Dual A/D Option 12

13. La colocación de varios tipos de accesorios es posible en espectrofotómetros de alto rendimiento (Alta señal/ruido, Amplio Rango, Baja resolución) Los diferentes accesorios tienen su uso en diferentes aplicaciones de investigación e industriales. Polímeros, Materiales, Farmacéutica, Biotecnología, Químicos, Academia (investigación) , Ambiente, Seguridad, Forense 11/20/2009 13 Uso de diferentes accesorios en FTIR

14. 11/20/2009 14 Uso de diferentes accesorios en FTIR Reflectancia Especular, para films finos o gruesos, mide la reflexión del haz incidiendo a cierto angulo parcialmente absorbido sobre la muestra Reflectancia Difusa, Aprovecha la reflexión difusa producida por una muestra en polvo ATR, el mas usado para líquidos o sólidos, radiación reflejada por la diferencia entre índices de refracción MICROSCOPIA E IMAGEN. Es el mas avanzado, el mas versatil, aprovecha todos los anteriores y logra VER la muestra químicamente Grazing angle Specularreflection, para films finos y capas monomoleculares, produce un campo magnetico fuerte orientado en el plano. Usa un polarizador

15. 11/20/2009 15 Uso de diferentes accesorios en FTIR MÉTODOS DE MUESTREO AVANZADOS ATR-Atenuated Total Reflectance Fuentes: ATR Theory & Aplication www.piketech.com http://en.wikipedia.org/wiki/Evanescent_wave http://en.wikipedia.org/wiki/Attenuated_total_reflectance

16. ATR-Atenuated Total Reflectance 11/20/2009 16 Uso de diferentes accesorios en FTIR MÉTODOS DE MUESTREO AVANZADOS Fuente: ATR Theory & Aplication www.piketech.com

17. 11/20/2009 17 Uso de diferentes accesorios en FTIR MÉTODOS DE MUESTREO AVANZADOS ATR-Atenuated Total Reflectance Fuente: ATR Theory & Aplication www.piketech.com EL ANÁLISIS por ATR depende de los siguientes factores experimentales: ÍNDICES DE REFRACCIÓN del cristal usado en el ATR y de la muestra. Angulo de incidencia del haz de luz IR. Angulo crítico Profundidad de penetración del haz de luz IR Longitud de onda del haz de luz IR Longitud de paso efectiva (path length) Número de reflexiones en la muestra Calidad del contacto entre muestra y el cristal del ATR Características del cristal del ATR

18. ATR-Atenuated Total Reflectance 11/20/2009 18 EFECTO DE LOS ÍNDICES DE REFRACCIÓN del cristal usado en el ATR y de la muestra n2 Índice de refracción de la muestra n1 Índice de refracción de Cristal del ATR θc is the critical angle Fuente: ATR Theory & Aplication www.piketech.com

19. 11/20/2009 19 ATR-Atenuated Total Reflectance EL ATR Absorbe del 70 al 90% de la luz incidente, requiere entonces muchas veces un FTIR con alta energía Fuente: www.varianinc.com

20. 11/20/2009 20 Uso de diferentes accesorios en FTIR EL ATR Absorbe del 70 al 90% de la luz incidente, requiere entonces un FTIR con alta energía y que sea también atenuada. ~ 50 % de atenuación de haz . Significa que solo ½ de la energía IR total llega al detector. ~ = + + 75 % de atenuación de haz . Significa que solo ¼ de la energía IR total llega al detector. = 100 % 25 % IR energy from Source IR energy to Detector

21. 11/20/2009 21 Uso de diferentes accesorios en FTIR Accesorios de Reflectancia Difusa: Sólidos en polvo y Líquidos Podemos ver un espectro de una muestra muy pequeña de plástico de un automóvil como muestreado con raspador de diamante y analizado por Reflectancia difusa, se identifica luego por librería co-polímero de polipropileno. Para sólidos, polvos, líquidos, es especialmente útil para pequeñas cantidades de muestra.

22. 11/20/2009 22 Uso de diferentes accesorios en FTIR REFLECTANCIA ESPECULAR (SPECULAR REFLECTANCE), para films poliméricos, revestimientos superficie. Paso del haz para reflexión - absorción de un film delgado sobre superficie reflectiva con Reflectancia especular. El espectro depende del ángulo de incidencia θ1, y los indices de refraccion

23. θ θ θ θ ATR - IRE Uso de diferentes accesorios en FTIR Técnicas comunes de muestreo en microscopia Infrarrojo Absorption/ Reflectance Micro - ATR Transmission Reflectance Objective Sample Stage “Kevley SlideTM” Condenser Grosor de film: 5 – 10 mm Grosor de film: No Importa Grosor de film: No Importa Grosor de film: 10 – 20 mm

24. 20/11/2009 24 Microscopio Varian 620-IR & Opciones MIR FPA: 16x16, 32x32, 64x64,128x128 NIR FPA: 128x128 Detector IR Single Point MCT: 100 or 250 umelement Narrow/Mid/Wide band Linearized/standard Fijo/movible binoculares “View thru”/Opaque apertures Internal Vis CCD camera with zoom Vis/IR Polarizadores fijos o rotables Panel de control girableergonomico Multi-position turret: 15x IR/Vis Obj, Grazing Angle Obj. Slide-on ATR Obj. Large Sample Obj. 4x, 10x, 20x, 40x visible glass obj Dark field 4x condenser Controlador joystick Salida hacia FTIR Monitorizada/manual bandeja de muestra Caja de control

25. θ Accesorios FTIR: Ge – ATR en Microscopia: Resolución espacial lograda Sample Stage 15 x IR/Vis objective Slide-on ATR attachment

26. 11/20/2009 Test of ATR Imaging spatial resolution using smallest bar on USAF Resolution Target Visible CCD image IR Image @ 1000 cm-1 (10 microns) Grupo 7 Elemento 6 Ancho de la barra= 2.2 um Data below from this row of pixels 2.2 um 26

27. 11/20/2009 27 Análisis por Transmisión IR de un Polímero laminado Multicapa Muestra de 3 capas cortada en un Microtomo 4.5 4 Polypropylene 3.5 3 2.5 Absorbance Nylon 2 1.5 1 Polyethylene .5 3500 3000 2500 2000 1500 1000 Wavenumber (cm-1)

28. CONCLUSIONES CONCLUSIONES MICROSCOPIA: Imagen por espectroscopia infrarroja, es mas significativo avance en los últimos diez años en este campo. Nuevos diseños de instrumentos y detectores mejoran la eficiencia y la rapidez de análisis Este diseño tiene la capacidad de generar análisis cercanos al tiempo real La imagen por FPA (Focal Plane Array) permite la mejor resolución espacial del mercado y la mejor señal ruido (S:N ) y el mejor grado de elección experimental para prácticamente cualquier tipo de muestras. 11/20/2009 28

29. CONCLUSIONES CONCLUSIONES FTIR (porque usarlo como técnica analítica?): Análisis FT-IR es SIMPLE de desarrollar FT-IR provee resultados increíblemente EXACTOS Resultados en SEGUNDOS a pocos minutos Método VERSÁTIL (puede analizar casi todo tipo de muestras, puede acomodar cualquier forma de muestra en tamaños y tipos) Herramienta poderosa de análisis de cualquier GAS, LIQUIDO or SOLIDO Provee análisis CUANTITATIVO como CUALITATIVO (Los equipos avanzados inclusive hacen análisis cuantitativo con ATR gracias a la gran cantidad de luz de la fuente) FT-IR análisis NO-DESTRUCTIVO - FT-IR espectroscopia es ADQUIRIBLE POR SU PRECIO - FT-IR puede requerir NO REQUERIR PREPARACIÓN DE MUESTRA o muy fácil preparación 11/20/2009 29

30. 30 Varian’s FT-IR Solutions Varian, Inc.Sirviendo a los laboratorios del mundo GRACIAS POR SU CORDIAL ATENCIÓN