FTIR Politécnica Charla de Espectroscopia Infrarroja por transformadas de fourier

Curso Internacional

"Métodos Modernos de Análisis de Materiales”

ESPECTROSCOPIA Y MICROSCOPIA FTIRINFRARROJO POR TRANSFORMADAS DE FOURIER

Ing. Bernardo Atahualpa Cordero Salcedowww.intracientific.com

1

http://www.intracientific.com/

MÉTODOS MODERNOS DE ANÁLISIS DE MATERIALESEPN- QUITO-2009

INDUSTRIA - INVESTIGACIÓN-ENSEÑANZAINSTRUMENTOS TECNICOS Y CIENTIFICOS

www.intracientific.com

Que es la luz infrarroja?

8/14/2010 2

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.

X-R

ays

UV

Vis

ible

NIR

MID

-IR

FIR

Rad

io

Mic

row

ave

4000 400

Frequency in cm-1G

amm

a

Ele

ctri

c P

ow

er

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.

Fundamento Espectroscopia Infrarroja





Fundamento Espectroscopia Infrarroja

8/14/2010 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.





Qué tipo de muestras puede analizarse?

8/14/20108/14/2010 4

GASES LÍQUIDOS SÓLIDOS

Transparentes Opacos


http://images.google.com.ec/imgres?imgurl=http://teleofertas.com.do/wp-content/uploads/2009/02/productos_tanques_para_gas_lp_cilindros.jpg&imgrefurl=http://teleofertas.com.do/category/cilindros-de-gas/&usg=__m9w-kPcijQMkpFuGtDIejRhl45M=&h=380&w=250&sz=13&hl=es&start=1&tbnid=WCxBliyXbAZYKM:&tbnh=123&tbnw=81&prev=/images?q=cilindro+gas&gbv=2&hl=es

http://images.google.com.ec/imgres?imgurl=http://www.abarahomeservice.cl/Instalaciones-Gas/instalacion-gas.jpg&imgrefurl=http://www.abarahomeservice.cl/Instalaciones-Gas/Instalaciones-Gas.htm&usg=__ZwqwdjcqVlJmw9vHapzpzX3czcI=&h=300&w=300&sz=18&hl=es&start=4&tbnid=gR_C7kaXt36zGM:&tbnh=116&tbnw=116&prev=/images?q=gas&gbv=2&hl=es

http://images.google.com.ec/imgres?imgurl=http://www.radiosantafe.com/wp-content/uploads/2009/09/gas-natural.jpg&imgrefurl=http://www.radiosantafe.com/2009/10/02/nuevamente-restringen-suministro-de-gas-natural-a-grandes-industrias/&usg=__E0ZZQKyGLXh-Kfvx0_V-oofV6nc=&h=337&w=500&sz=69&hl=es&start=17&tbnid=rOXMfOLPivUJoM:&tbnh=88&tbnw=130&prev=/images?q=gas&gbv=2&hl=es

http://images.google.com.ec/imgres?imgurl=http://www.solotarot.com/wp-content/uploads/2009/06/rubi.jpg&imgrefurl=http://www.taringa.net/posts/info/2852000/Diamantes,-esmeraldas-y-rubies.html&usg=__HSlhQ-JaS6Pz79YKKtRHbumt9dg=&h=300&w=299&sz=37&hl=es&start=14&tbnid=HNnogINb4IWWhM:&tbnh=116&tbnw=116&prev=/images?q=rub%C3%AD&gbv=2&hl=es&sa=G

http://images.google.com.ec/imgres?imgurl=http://es.dreamstime.com/fondo-de-la-tela-escocesa-thumb5442160.jpg&imgrefurl=http://es.dreamstime.com/fondo-de-la-tela-escocesa-image5442160&usg=__yT2DEW3gpruMmmd_1fGcToFlM7U=&h=300&w=300&sz=109&hl=es&start=10&tbnid=38f-Z16U8viMzM:&tbnh=116&tbnw=116&prev=/images?q=tela&gbv=2&hl=es&sa=G

http://images.google.com.ec/imgres?imgurl=http://www.thedailygreen.com/cm/thedailygreen/images/Ml/plastic-recycling-symbols-1-lg.jpg&imgrefurl=http://www.thedailygreen.com/green-homes/latest/recycling-symbols-plastics-460321&usg=__xQqb0IBGffDD7L3ZY6e6nF1XWtk=&h=460&w=360&sz=24&hl=es&start=1&tbnid=mjKRgKNVU1f6sM:&tbnh=128&tbnw=100&prev=/images?q=plastic&gbv=2&hl=es&sa=G

http://images.google.com.ec/imgres?imgurl=http://platea.pntic.mec.es/~iali/personal/agua/agua/Agua2.jpg&imgrefurl=http://platea.pntic.mec.es/~iali/personal/agua/agua/calidad.htm&usg=__CisdWRfgF4ycu8-2OngoxFOePpE=&h=684&w=630&sz=26&hl=es&start=20&tbnid=1TJoW7M34lntBM:&tbnh=139&tbnw=128&prev=/images?q=Agua&gbv=2&hl=es

http://weblogs.madrimasd.org/universo/gallery/image/3656.aspx




5

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.

Que significa ‘FT-IR’

Varian 660IR con accesorio ATR Pike

Varian 620IR Microscopio de Imagen IR





6

Esquema de un Espectrómetro FTIR

Esquema típico de un espectrómetro FTIR.

He-Ne Laser

Sample Compartment

Purge Shuttersor WindowsIR-Detector Mirror Flipper

InterchangeableBeamsplitter

Dual-SourceAssembly

DA

Det.

B/S Storage

Externalbeam

60 Degree Michelson

Interferometer

Equivalencia con un UV-Vis: (Para mayor comprensión:Beamsplitter seria el GrattingInterferómetro sería el MonocromadorEl laser es la referencia con su propio detectorLa fuente (Source) seria la lámpara (s) de luz Uv-Vis





7

Espejo móvil

Espejo fijo

De referencia

Laser

Fuente IR (Source)

Laser

Detector

Celda de muestraDetector IR

Componentes y funcionamiento de la óptica FTIR






8

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.

Fixed Mirror

Reference

LaserIR Source

Laser

Detector

Moving Mirror

Creates an interference pattern


Beamsplitter





9

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

Interferograma

1500200025003000 35004000Wavenumbers (cm-1)

1000

Espectro FT-IR

FT-Transformada de Fourier

Esquema de un FTIR , Que es un INTERFEROGRAMA?





8/14/2010 10

InterferómetrosRapid 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

Esquema Final de un espectrómetro FT-IR

Espejo Móvil

Espejo fijo

Referencia

LaserFuente IR (Source)

Laser

Detector

Celda de muestra

Detector IR

Señal de referencia Laser

Señal IR detectada (Interferograma)





12

ESPECIFICACIONESde un FTIR a la hora de elegir uno…

Parameter Varian 660

Resolution (unapodized)

0.07 cm-1

Upgradeable YES

Spectral coverage range

50,000 – 20 cm-1

SNR (5 sec) 10,000:1

Energy Throughput at sample

> 50 mW

Dual Source/ Dual Detector Options

YES

YESDual A/D Option

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.

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.).

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.





• 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

8/14/2010 13

Uso de diferentes accesorios en FTIR





8/14/2010 14


ATR, el mas usado para líquidos o sólidos, radiación reflejada por la diferencia entre índices de refracción

Reflectancia Difusa, Aprovecha la reflexión difusa producida por una muestra en polvo

Reflectancia Especular, para films finos o gruesos, mide la reflexión del haz incidiendo a cierto anguloparcialmente absorbido sobre la muestra

Grazing angle Specular reflection, para films finos y capas monomoleculares, produce un campo magnetico fuerte orientado en el plano. Usa un polarizador

MICROSCOPIA E IMAGEN. Es el mas avanzado, el mas versatil, aprovecha todos los anteriores y logra VER la muestra químicamente





8/14/2010 15

ATR-Atenuated Total ReflectanceMÉTODOS DE MUESTREO AVANZADOS

http://en.wikipedia.org/wiki/Evanescent_wave

http://en.wikipedia.org/wiki/Attenuated_total_reflectance

Fuentes: ATR Theory & Aplication www.piketech.com






http://en.wikipedia.org/wiki/Attenuated_total_reflectance

http://www.piketech.com/




ATR-Atenuated Total Reflectance

8/14/2010 16

MÉTODOS DE MUESTREO AVANZADOS

Fuente: ATR Theory & Aplication www.piketech.com








8/14/2010 17

MÉTODOS DE MUESTREO AVANZADOS


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








8/14/2010 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






8/14/2010 19


EL ATR Absorbe del 70 al 90% de la luz incidente, requiere entonces muchas veces un FTIR con alta energía

Fuente: www.varianinc.com


http://www.varianinc.com/




8/14/2010 20

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.

IR energy from Source

IR energy to Detector100 % 25 %

+ ~~






8/14/2010 21


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.





8/14/2010 22


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





Técnicas comunes de muestreo en microscopia Infrarrojo

Transmission

Grosor de film: 10 – 20 m

ReflectanceAbsorption/Reflectance

Objective

Sample

Condenser

Stage

θ θ θ

Micro - ATR

“Kevley SlideTM”

θATR - IRE


Grosor de film: No Importa

Grosor de film: 5 – 10 m

Grosor de film: No Importa





14/08/2010 24

MIR FPA:16x16, 32x32, 64x64,128x128NIR FPA:128x128

Detector IR Single Point MCT:100 or 250 umelementNarrow/Mid/WidebandLinearized/standard

Panel de control girable ergonomico

Monitorizada/manual bandeja de muestra

Fijo/movible binoculares

Vis/IR Polarizadores fijos o rotables

Multi-position turret:15x IR/Vis Obj,Grazing Angle Obj.Slide-on ATR Obj.Large Sample Obj.4x, 10x, 20x, 40x visible glass objDark field 4x condenser

Microscopio Varian 620-IR & Opciones

“View thru”/Opaque apertures

Internal Vis CCD camera with zoom

Controlador joystick

Caja de control

Salida hacia FTIR





Accesorios FTIR: Ge – ATR en Microscopia: Resolución espacial lograda

θ

Sample

Stage

Slide-on ATRattachment

15 x IR/Visobjective





8/14/2010 26

ATR Imaging Spatial Resolution Test

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

0 2 4 6 8 10 12 14

Pixels

Norm

alised T

ransm

itta

nce

950

1000

2.2 um

Data below

from this row

of pixels

IR Image @ 1000 cm-1 (10 microns) Visible CCD image

Grupo 7

Elemento 6

Ancho de la

barra= 2.2 um

Test of ATR Imaging spatial resolution

using smallest bar on USAF Resolution Target





8/14/2010 27

.51

1.52

2.53

3.54

4.5

Abso

rbance

3500 3000 2500 2000 1500 1000

Wavenumber (cm-1)

Polypropylene

Nylon

Polyethylene

Muestra de 3 capascortada en un Microtomo

Análisis por Transmisión IR de un Polímero laminado Multicapa





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.

8/14/2010 28





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

8/14/2010 29





30

Varian’s FT-IR Solutions

Varian, Inc.Sirviendo a los laboratorios del mundo

GRACIAS POR SU CORDIAL ATENCIÓN


FTIR Politécnica Charla de Espectroscopia Infrarroja por transformadas de fourier

Documents

Transcript of FTIR Politécnica Charla de Espectroscopia Infrarroja por transformadas de fourier