Instrumentació

Els instruments d’infraroig es poden classificar bàsicament en dispersius i no dispersius, en funció del sistema que utilitzen en la generació de la radiació monocromàtica.

Els espectrofotòmetres d’infraroig dispersius són, en general, instruments de doble feix, que utilitzen xarxes de reflexió per a la dispersió de la radiació. Aquest disseny de doble feix és menys exigent amb les característiques de funcionament de les fonts i detectors i permet la compensació de l’absorció de la radiació per part dels gasos de l’atmosfera. Els instruments de doble feix incorporen un sistema atenuador del feix de referència i això provoca alguna limitació en el seu funcionament: la resposta de l’atenuador sempre s’endarrereix respecte als canvis de transmitància, especialment en les

Espectroscòpia infraroja 

33 

regions d’escombrat on el senyal canvia ràpidament, possibles sortides d’escala del sistema enregistrador i dificultat d’establir exactament la posició nul·la en regions on la transmitància s’aproxima a zero i quasi no arriba radiació al detector. Com a resultat s’obtenen bandes arrodonides i una resposta poc definida per part del detector. Aquestes característiques han determinat que, en l’actualitat, els instruments dispersius hagin vist limitades les seves aplicacions a l’anàlisi qualitativa i que els instruments que s’han anat imposant, per la relació favorable prestacions/preu, hagin estat els no dispersius.

Dins dels instruments no dispersius es troben equips amb característiques i aplicacions molt diferents. Els fotòmetres de filtres, que s’utilitzen en la determinació in-situ de paràmetres ambientals i en l’anàlisi de sòlids agraris i industrials. Per a aquests tipus d’instruments la robustesa, la senzillesa i l’economia de manteniment són qualitats fonamentals. En la determinació de gasos absorbents a la zona d’IR de l’espectre s’utilitzen els fotòmetres sense filtre. Aquests dispositius es basen en l’absorció de la radiació policromàtica per part de dues cel·les en sèrie que contenen la mescla de gasos a analitzar i el gas de referència.

D’altra banda, es disposa, també, d’instruments multiplex (o multicanal). En aquests sistemes, el senyal s’enregistra de forma simultània i posteriorment es descodifica amb l’ajut d’un algoritme matemàtic. Per a la descodificació del senyal bàsicament s’han aplicat dos procediments, la transformada de Fourier i la de Hadmard. Tot i que ambdues són alternatives vàlides, només la primera s’ha consolidat i s’aplica a camps diferents de l’espectrofotometria, com la ressonància magnètica nuclear (RMN) i l’espectrometria de masses (MS).

La utilització d’instruments d’infraroig de transformada de Fourier presenta tres avantatges principals. El primer és el rendiment o avantatge Jaquinot, que s’obté perquè, per atenuar la radiació, aquests instruments no tenen escletxes i tenen pocs elements òptics. Per tant, la potència de radiació que assoleix el detector és molt major que als instruments dispersius i s’observen unes relacions senyal/soroll molt superiors. Un altre avantatge és que presenten una elevada exactitud i precisió en la selecció de la longitud d’ona, el que fa possible l’amitjanat d’espectres amb el conseqüent increment de la relació senyal/soroll. Els efectes ocasionats per radiacions paràsites es minimitzen en tractar-se d’un senyal modulat. El tercer avantatge, anomenat també, avantatge Fellget, s’aconsegueix perquè tots els elements de la font arriben al detector alhora i això permet obtenir un espectre complet en un breu període de temps (1 segon o menys). Aquest aspecte afavoreix, també, l’amitjanat d’un elevat nombre d’espectres.

Capítol 3 

34 

A diferència de l’espectroscòpia convencional, que és de domini de freqüències (s’enregistra la potència radiant rebuda pel detector a cada freqüència), l’espectroscòpia de transformada de Fourier és de domini de temps. En aquest cas el senyal obtingut és el resultat de la combinació de les diferents freqüències i rep el nom d’interferograma. Aquesta combinació genera un resultat complex que prové de la superposició d’ones que són lleugerament desfasades les unes de les altres. És el que s’anomena espectre de domini de temps.

Per aconseguir un espectre d’aquest tipus fa falta un mètode que moduli un senyal d’alta freqüència en una freqüència mesurable, sense distorsionar les relacions de temps transportades en el senyal. Les freqüències del senyal modulat han de ser directament proporcionals a les del senyal original. S’han utilitzat diferents procediments de modulació dels senyals per a diverses regions de longitud d’ona de l’espectre.

El dispositiu més utilitzat per modular la radiació òptica és un interferòmetre de Michelson. Aquest divideix un feix de llum policromàtic en dues meitats aproximadament iguals. Aquests feixos es reflecteixen en dos miralls interns, un de fix i un de mòbil de velocitat perfectament coneguda. La diferència de distàncies recorregudes pels dos feixos als miralls fix i mòbil rep el nom de retard (). La recombinació dels dos feixos amb un desfasament entre ells provoca interferències constructives i destructives que es reflecteixen en la potència radiant que rep el detector. La representació de la potència radiant en funció del retard és l’interferograma.

La radiació que arriba al detector després de passar per un interferòmetre de Michelson sol ser de freqüència molt menor que la de la font. La relació entre les dues freqüències es pot deduir amb facilitat. Si el mirall mòbil es desplaça a una velocitat constant vM i s’anomena  al temps necessari perquè el mirall recorri una distància

corresponent a la meitat de la longitud d’ona (/2):

2

v







La freqüència del senyal és la inversa de :



v

2



f

La relació entre la freqüència òptica de la radiació i la freqüència de l’interferograma s’obté substituint  = c/a l’equació 3.3. Per tant:

Espectroscòpia infraroja 

35 



c

f

_

2v

on  és la freqüència de la radiació i c és la velocitat de la llum. Quan vM és constant, és

evident que la freqüència de l’interferograma  és directament proporcional a la freqüència òptica .