1. Tipos
La espectroscopía IR es una técnica muy potente para investigar la naturaleza y propiedades de la materia. Inicialmente se llevaba a cabo haciendo pasar rayos infrarrojos a través de la muestra para medir la cantidad de radiación que la atravesaba (transmisión) o, complementariamente, la cantidad de radiación que era absorbida por las moléculas de la muestra (absorción). (El efecto de la radiación absorbida es la alteración de los estados de vibración de las moléculas.).
Sin ninguna duda, esta técnica se sigue empleando generalizadamente. Pero como en algunas muestras es difícil observar la transmisión de la radiación IR, poco a poco se ha ido perfeccionando otra modalidad alternativa de espectroscopía IR basada no en la transmisión o absorción de la radiación que atraviesa la muestra, sino en su reflexión por la muestra.
Lo interesante y base de esta técnica es que la radiación reflejada no es igual que la que llega a la muestra porque las moléculas modifican la radiación al interaccionar con ella. Dicho de otro modo, absorben parte de esa radiación. Gracias a esa absorción, y según cómo se produzca (es decir, qué longitudes de onda de la radiación se absorben y cuáles no), vamos a poder conocer indirectamente propiedades interesantes de la molécula. (Para saber cómo es la radiación reflejada utilizamos un detector que la mida.)
Diferentes tipos de reflexión
Existen diferentes técnicas de reflexión que en principio dividiremos en dos categorías generales: reflexión externa y reflexión interna. La primera es simplemente la reflexión de la radiación en la superficie de la muestra. Podemos considerar dos tipos: especular (cuando la superficie de la muestra es lisa o pulimentada, como por ejemplo en un espejo; también en superficies con irregularidades si son pequeñas en comparación con la longitud de onda de la radiación) y difusa (cuando la superficie es rugosa). En el primer caso la radiación reflejada sale en una única dirección; en el segundo, en muchas.
La reflexión interna es la reflexión en la superficie de la muestra que está en estrecho contacto con un material de superficie de alto índice de refracción (n1) La luz IR se hace llegar desde el lado del material para que la radiación se refleje totalmente en la interfaz que lo separa de la muestra. (La razón de usar un material con alto índice de refracción es propiciar la reflexión total, ya que si los índices de refracción n1 y n2 fuesen parecidos se tendería a producir también refracción.)
En la práctica, un objeto suele experimentar los tres tipos de reflexión, aunque en grados que pueden ser muy diferentes.
2. Reflexión total atenuada
La espectroscopía de reflexión interna se denomina más comúnmente como de reflexión total atenuada (RTA, o ATR en sus siglas inglesas). La técnica, que se empezó a emplear hace medio siglo, se basa en la reflexión que experimenta la radiación en la interfaz de separación de dos medios de distinta densidad óptica (distinto índice de refracción) cuando esta viene del medio más denso. Se producen dos fenómenos: la refracción y la reflexión, observándose más este segundo cuanto mayor es el ángulo de incidencia. Superado cierto valor de dicho ángulo (ángulo crítico, que es función de los n de ambos medios), se produce la reflexión total de la radiación.
En espectroscopía RTA se coloca en estrecho contacto con la muestra un cristal de alto índice de refracción y buenas propiedades de transmisión de la radiación IR. De este modo, cuando se hace pasar radiación IR por este cristal con un ángulo de incidencia igual a superior al crítico, la radiación experimentará reflexión total en la interfaz muestra-cristal. En la muestra se crea lo que se llama una onda evanescente que penetra en ella entre 2 y 15 um, por lo cual para observar el efecto es esencial que exista un contacto real de la muestra y el cristal. La intensidad de esta onda evanescente va decayendo a medida que se aleja de la interfaz:
Como es natural, se producirá una interacción de la onda evanescente con la muestra. Concretamente, la muestra absorberá radiación de las regiones del espectro IR en que lo hace característicamente. Por consiguiente, la cantidad de radiación de estas regiones que se refleja será menor que la incidente. Por eso se dice que la reflexión está atenuada. El espectro RTA de la muestra no es más que la representación gráfica del grado en que se absorbe la radiación en función de la longitud de onda.
Normalmente, los espectros RTA son similares a los convencionales excepto en las regiones de longitudes de onda más cortas porque, en general, estas radiaciones penetran menos en la muestra y, por tanto, se absorben menos. (Hay que indicar que el grado de penetración no sigue una dependencia estrictamente proporcional de la longitud de onda porque, si bien por una parte depende directamente de esta, también tiene una dependencia compleja con los índices de refracción de muestra y cristal, que a su vez dependen asimismo de la longitud de onda, efecto este último que se conoce como de dispersión).
Por todo ello, en el espectro RTA se suelen observar bandas menos intensas respecto al IR convencional en las regiones de longitud de onda más corta (números de ondas altos), como puede apreciarse comparando los siguientes espectro de cocaína, de RTA y de transmisión en pastilla de KBr:
Otras diferencias entre los espectros surgen del efecto de dispersión mencionado más arriba, que origina una dependencia complicada del grado de penetración con la longitud de onda. Finalmente, también son muy determinantes efectos relacionados con la superficie de separación de la muestra y el cristal. Para controlar esos efectos y conseguir registrar espectros reproducibles debe procurarse un buen contacto.
Reflexión simple y múltiple
El método explicado más arriba produce una sola reflexión de la radiación en la muestra, pero se puede hacer que la radiación se refleje varias veces en la muestra, lo que aumenta la intensidad de las bandas de absorción. Est es útil cuando la muestra absorbe poco.
Materiales de los cristales
Los cristales de RTA tienen que tener un índice de refracción lo más alto posible (para que sea mayor que el de la mayoría de las muestras) y ser insolubles en el disolvente que se use (particularmente, en agua). Los materiales que más se emplean quizá sean son el diamante, el seleniuro de zinc (ZnSe) y el germanio.
El diamante sería el material ideal si no fuese porque es caro. Es resistente a las rayaduras, pH extremos y oxidantes y reductores. A veces se usa en forma de película para proteger otro tipo de cristales, como los de ZnS. El germanio tiene la ventaja de que su índice de refracción es altísimo (4,0 a 1000 cm-1). Par las aplicaciones de rutina se suele emplear el ZnSe, con la precaución de no rayarlo ni someterlo a agentes complejantes como el amoniaco ni a ácidos o bases fuertes. Un material con buen índice de refracción pero más resistente que el anterior es un tipo de cristal de As, Ge y Se. Otros posibles materiales son el telururo de cadmio (CdTe), el zafiro (Al2O3) o el dióxido de zirconio (ZrO2).
Aplicaciones
La espectroscopía IR-RTA encuentra sus mayores aplicaciones en el estudio de películas delgadas y materiales opacos en el IR próximo. Suele requerir nula o muy poca preparación de la muestra, pero la condición inexcusable es exista un buen contacto entre la muestra y el elemento de reflexión interna (el cristal). Si la muestra es sólida a veces es conveniente usar una pinza para que haga presión contra el cristal. Las muestras en polvo y las películas flexibles no requieren preparación, y menos aún los líquidos, que basta aplicarlos al cristal; pero los sólidos muy cristalinos deben triturarse antes.
3. Reflexión especular y transflexión
Como hemos dicho, se pueden considerar dos tipos de reflexión externa: especular (la producida por una superficie pulimentada, como un espejo, en cuyo caso el ángulo de reflexión es igual al de incidencia) y difusa (cuando la superficie es rugosa).
Cuando la muestra produce reflexión especular, los espectros que se obtienen se llaman de reflectancia. Pero existe otra modalidad de obtener espectros de muestras basándose en la reflexión especular: la transflexión, que consiste en una mezcla de reflexión y absorción por la muestra cuando esta es una película depositada o prensada sobre una superficie reflectiva. En este caso, los espectros se dice que son de transflectancia.
Los espectros de transflectancia tienen aspecto de espectros de transmitancia derivados, es decir, espectros de transmitancia a los que se le ha aplicado la operación matemática de la derivación. Por otra parte, los espectros de transflectancia pueden convertirse en espectros de absorbancia aplicándoles la llamada transformación de Kramers-Kronig.
Como ejemplo, véase un espectro de transflectancia de aceite depositado sobre un cilindro de acero:
Una fracción de la radiación se refleja en la interfaz superior y aporta al espectro una componente de reflexión; pero otra parte de la radiación penetra en el interior de la película y es reflejada por la superficie reflectante inferior. Así, la radiación pasa dos veces a través de la muestra, y eso contribuye a aumentar la intensidad del espectro. La longitud del camino óptico depende del ángulo de incidencia, por lo cual cuando las películas son muy delgadas este debería ser grande (80 grados o más).
La técnica se emplea para estudiar superficies recubrimientos, películas, superficies contaminadas con metales, etc.
4. Reflexión difusa
La espectroscopía de reflexión difusa se basa en recoger la radiación reflejada en todas direcciones por superficies rugosas. Cuando se aplica en la región infrarroja y se utiliza la transformación de Fourier se conoce como espectroscopía infrarroja de reflexión (o reflectancia) difusa por transformada de Fourier (EIRD-TF, o DRIFTS, en sus siglas en inglés).
Parte de la radiación IR que incide sobre una muestra se puede reflejar regularmente (es decir, siguiendo las reglas de la reflexión); otra parte se puede dispersar de forma difusa; y una tercera parte puede ser absorbida en el interior de la muestra o difractada por los bordes de los granos, dando lugar a más luz dispersada en todas direcciones. Pues bien, la reflexión regular distorsiona el espectro de reflexión difusa, razón por la cual el componente de reflexión regular hay que eliminarlo, lo que se consigue con accesorios diseñados especialmente para ello.
A diferencia de la espectroscopía de absorción IR, en la que hay una relación lineal entre la concentración de la muestra (que viene dada por la ley de Beer), en espectroscopía de reflexión difusa esto no ocurre. Por lo tanto, el análisis cuantitativo por esta técnica no es sencillo, si bien puede emplearse una función empírica debida a Kubelka y Munk que transforma los espectros de reflectancia en espectros semejantes a los de absorbancia clásicos. En estos espectros corregidos sí se encuentra una relación lineal entre la intensidad y la concentración. Como ejemplo, este es el espectro EIRD-TF del 1,2-bis(difenilfosfino)etano, comparado con un espectro de absorción en pastilla de KBr (abajo).
Si llamamos reflectancia infinita, R∞, a la que se obtiene cuando el espesor de la muestra es suficiente como para que no salga radiación por la cara trasera, y en el caso de que R∞ sea un valor muy bajo, se puede llegar a esta expresión aproximada que permite realizar cálculos cuantitativos:
log(1/R∞) = kc
Para obtener espectros reproducibles hay que preparar la muestra adecuadamente, controlando el tamaño de partícula, su empaquetamiento y la dilución de la muestra.
Aplicaciones
La técnica se puede aplicar a muestras sin tratar de superficie rugosa o convertidas en polvo y dispersadas en una matriz no absorbente de la radiación IR como el KBr o el KCl. Para obtener un buen espectro es conveniente que el tamaño de los granos de muestra sea muy pequeño y con una distribución de tamaño lo más estrecha posible. Esta dilución en la matriz (al 5 o 10%) aumenta la fracción de reflexión difusa en la reflexión total.
Es más común obtener espectros de reflexión difusa en el infrarrojo cercano que en el medio. Dos razones son la mayor abundancia de sustratos no absorbentes de radiación IR próxima y que se produce más dispersión cuanto más corta es la longitud de onda. (En el IR medio la reflectancia difusa es tan débil que solo puede realizarse mediante la técnica de la transformación de Fourier.)
En general, el análisis cuantitativo es muy pobre con esta técnica porque los espectros son poco reproducibles, ya que dependen de la forma de preparar la muestra.
Referencia
Zahra Monsef Khoshhesab: Reflectance IR Spectroscopy, en Infrared Spectroscopy – Materials Science, Engineering and Technology, capítulo 11, editado por Theophile Theophanides. InTech, 2012 (ISBN: 978-953-51-0537-4,)
