¿Espectroscopía IR o FT-IR?

La espectroscopia IR tradicional consiste en proyectar luz IR sobre una red de difracción que separa la luz por longitudes de onda. Cuando una fuente de luz de amplio espectro incide sobre una red de difracción, las distintas longitudes de onda de la luz salen de la red en direcciones ligeramente diferentes.

Esto ocurre porque el ángulo de la luz al salir de la red de difracción está directamente relacionado con la longitud de onda de la luz. Dado que esta técnica comienza separando la luz, dispersando las distintas longitudes de onda en el espacio, suele denominarse espectroscopia infrarroja dispersiva.

Después de separar el haz IR por longitud de onda, el haz separado pasa a través de una rendija para reducir el haz a una sola longitud de onda de luz IR. El haz monocromático de luz IR resultante se dirige a la muestra y se detecta la absorbancia de esa longitud de onda específica.

A continuación, se cambia el ángulo de la red de difracción para aislar una longitud de onda diferente y se mide la absorbancia de esa longitud de onda. Este proceso se repite hasta que se comprueban las absorbancias de todas las longitudes de onda de la luz IR. Los datos resultantes pueden representarse gráficamente para obtener el espectro IR.

La luz infrarroja, como toda la radiación electromagnética, se desplaza en ondas con picos y valles. El lugar del espacio en el que se producen estos picos y valles se denomina fase de la onda. Dos ondas pueden tener fases diferentes, lo que se denomina diferencia de fase.

La diferencia de fase entre dos ondas determina su interacción, que se denomina interferencia. Si los picos y los valles de las dos ondas que interactúan coinciden, se dice que las ondas están en fase, y la interferencia resultante se denomina interferencia constructiva.

Si los picos de una onda coinciden con los valles de la otra, las ondas están desfasadas y el resultado es una interferencia destructiva. Las ondas que no están completamente en fase o desfasadas también pueden interactuar de una forma que depende de la diferencia de fase entre las dos ondas. La forma específica en que interfieren las ondas se denomina patrón de interferencia.

El FT-IR utiliza un interferómetro, como el interferómetro de tipo Michelson, para hacer que la luz IR interfiera consigo misma. Dentro del interferómetro, el haz de luz IR se divide en dos con un divisor de haz y, a continuación, se dirige a dos espejos.  Los haces rebotan en los espejos y vuelven a encontrarse, donde se recombinan.

Si los dos haces de luz recorren la misma distancia hasta los espejos y viceversa, los haces estarán en fase cuando se recombinen, lo que crea una interferencia constructiva. Sin embargo, uno de los espejos de un interferómetro de Michelson puede moverse, lo que significa que los haces pueden recorrer distancias diferentes hasta los espejos, lo que crea una diferencia de fase entre las ondas cuando se recombinan. La diferencia de fase puede modificarse cambiando la posición del espejo móvil.

Una vez recombinada, la luz se dirige a la muestra y se detecta. A continuación, se mueve el espejo para cambiar la diferencia de fase entre los haces, lo que da lugar a un patrón de interferencia diferente cuando los haces se recombinan. Cada patrón de interferencia provoca la presencia de diferentes longitudes de onda de luz IR en el haz recombinado. El espejo se puede mover rápidamente a través de diferentes posiciones, lo que resulta en la detección rápida de la absorbancia IR para todas las longitudes de onda de la luz IR.  

Una vez registrados todos los datos, pueden representarse gráficamente, lo que da lugar a un interferograma. El interferograma muestra cómo la muestra absorbe la luz IR, pero es muy diferente del espectro IR obtenido de la espectrometría IR dispersiva. Un espectro IR muestra la intensidad con la que la muestra absorbe cada frecuencia de luz IR, mientras que el interferograma muestra la intensidad con la que la muestra absorbe la luz IR en función de la posición del espejo móvil dentro del interferómetro. Esto significa que los datos de un experimento FT-IR deben procesarse para crear un espectro IR comparable. Esencialmente, la absorción de cada longitud de onda de luz IR debe extraerse de la información del interferograma.

Por suerte, existe una función matemática, llamada Transformada de Fourier, que puede hacer esto y que puede realizarse rápidamente utilizando un programa informático. La Transformada de Fourier toma los datos resultantes de la interferencia de ondas con frecuencias diferentes y extrae las frecuencias de las ondas originales.

Por ejemplo, si dos ondas con frecuencias de 5 cm-1 y 3 cm-1 interactuaran, el patrón de interferencia resultante tendría un aspecto muy complicado, y sería difícil determinar qué frecuencias de luz estaban presentes originalmente. Cuando se aplica la transformada de Fourier, el resultado son dos señales que muestran las frecuencias de las dos ondas originales, una a 3 cm-1 y la otra a 5 cm-1.

En un experimento FT-IR, el interferograma contiene información sobre las diferentes frecuencias de luz IR que llegan al detector tras interactuar con la muestra. Aplicando la transformada de Fourier al interferograma, se pueden extraer las frecuencias de luz IR que absorbió la muestra. El resultado es el conocido espectro IR.

Sin embargo, se realiza un paso adicional para garantizar que el espectro resultante sea limpio y de alta calidad. Esto se hace porque la luz IR que viaja a través de la muestra también puede interactuar con compuestos del entorno, como el dióxido de carbono o el agua, y la luz IR absorbida por esos compuestos puede aparecer en el espectro. Para evitarlo, se crea un interferograma de referencia midiendo la luz IR absorbida sin la muestra presente. A continuación, se utiliza la transformada de Fourier en el interferograma de referencia para crear un espectro de referencia. A continuación, el espectro IR de la muestra se divide por el espectro IR de referencia para obtener el espectro IR final.

Este proceso produce un espectro de alta calidad con una excelente relación señal/ruido que puede obtenerse muy rápidamente, lo que ofrece claras ventajas sobre la espectroscopia IR dispersiva. Aunque el funcionamiento interno de un espectrómetro FT-IR es complejo, la técnica en sí es extremadamente fácil de realizar, lo que convierte al FT-IR en una técnica de análisis químico ideal para una amplia gama de aplicaciones.