La espectroscopia de infrarrojo medio (MIR), que abarca desde 2 µm hasta 20 µm (de 500 a 5000 cm^-1 expresados en números de onda), es una técnica analítica que proporciona información sobre la composición y estructura de la muestra [1], presentando numerosas aplicaciones, por ejemplo, en detección de gases o análisis de alimentos. En este post repasaremos sus características y principales aplicaciones.

 

Una de las primeras cuestiones que surgen con la espectroscopia MIR son qué diferencias existen con la espectroscopia de infrarrojo cercano (NIR) (780 – 2000 nm), aparte, obviamente, del rango de longitud de onda. La principal ventaja de la espectroscopia MIR sobre la espectroscopia NIR, es que en la región del infrarrojo medio del espectro, las bandas de absorción correspondientes a diferentes componentes individuales de una mezcla suelen estar aisladas entre sí y pueden cuantificarse en función de la intensidad de su absorción. En la región NIR del espectro, sin embargo, las bandas de absorción correspondientes a los diferentes componentes tienden a superponerse, ya que son los armónicos de las bandas fundamentales que están presentes en la región MIR. Como resultado, la cuantificación de componentes mediante el uso de datos NIR es más compleja [2].

 

Desafortunadamente, la espectroscopia MIR también tiene sus desventajas. En primer lugar, los emisores de cuerpo negro tienen picos de radiación en longitudes de onda cortas, lo que significa que la energía disponible en el MIR disminuye con la longitud de onda. Además, los materiales que transmiten en el MIR son bastante caros, lo que aumenta el precio de las guías de ondas ópticas (fibras ópticas) empleadas en esta región, que, además, también son difíciles de manipular. Finalmente, la mayoría de los materiales son fuertemente absorbentes en el MIR, lo que hace necesario trabajar con longitudes efectivas cortas [2].

 

Por lo tanto, en base a las características anteriores, la espectroscopia MIR es la más adecuada para la identificación de materiales o la determinación de componentes específicos en una mezcla, y se emplea en aplicaciones como detección de gases, análisis de alimentos o identificación de minerales, que se explican en detalle en los siguientes párrafos.

 

En cuanto a la detección de gases, las pequeñas moléculas de gas como CO, CO₂, NO, NO₂, NH₃ o CH₄ poseen una huella dactilar MIR característica, es decir, un espectro de absorción único, que permite su detección con alta selectividad, evitando falsas alarmas por interferencia cruzada. Otra ventaja de los dispositivos MIR es su larga vida útil en comparación con otras tecnologías. Las aplicaciones particulares de la detección de gases incluyen la monitorización ambiental (por ejemplo, monitorización de CO₂ para calefacción, ventilación y aire acondicionado), monitorización de gases peligrosos, detección de fugas, automoción (mediciones de gases de escape pero también monitorización de refrigerante) y análisis de respiración (O₂ y CO₂ son los gases más medidos) [3].

Con respecto a la industria alimentaria, la espectroscopía MIR, a menudo combinada con técnicas quimiométricas, constituye un método rápido y preciso para estudiar cuestiones de calidad, autenticación y adulteración. La técnica de presentación de muestras más común es la reflexión total atenuada (ATR). Sus principales ventajas son que la muestra prácticamente no necesita preparación y que la longitud de la trayectoria de muestreo es muy fina, lo que permite la penetración del haz infrarrojo en la muestra. Algunos productos que se han estudiado con espectroscopia MIR son el café, productos lácteos (leche, queso), la miel, el aceite de oliva o el vino, centrándose en aspectos como la adulteración, el origen geográfico o la identificación de especies [5,6].

Finalmente, la espectroscopia MIR también encuentra una aplicación en el campo de la identificación de minerales. La mayoría de los minerales tienen sus bandas vibratorias fundamentales en esta región del espectro y pueden reconocerse comparando sus espectros con bibliotecas espectrales de referencia. La espectroscopia MIR permite, por ejemplo, la identificación de silicatos, carbonatos, sulfatos o fosfatos. Por otro lado, se debe considerar que el tamaño de partícula, la rugosidad superficial y la orientación cristalográfica de las muestras afectan a los espectros obtenidos [7,8].

 

Como conclusión, la espectroscopia MIR ha demostrado ser una técnica analítica valiosa en diferentes campos, pudiendo recuperar información sobre la composición de la muestra, ya sea un gas, un mineral o un alimento. Esto no significa que la espectroscopia MIR sea superior a la espectroscopia NIR, ni al revés. Dependiendo de la aplicación en cuestión, una de ellas puede ser más adecuada, pero en algunos casos ambas pueden ser válidas o incluso aportar información complementaria. Lo que está fuera de toda duda es la utilidad de la espectroscopia de infrarrojo medio como una herramienta que ofrece conocimientos útiles en muchas disciplinas.

 

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Escrito por J.J. Imas

 

Bibliografía

 

[1] Chalmers, J.M. Infrared Spectroscopy | Sample Presentation. In Encyclopedia of Analytical Science; Elsevier, 2005; pp. 402–415.

 

[2] NIR Versus Mid-IR: How to Choose 

 

[3] Lambrecht, A.; Schmitt, K. Mid-infrared gas-sensing systems and applications. Mid-infrared Optoelectron. Mater. Devices, Appl. 2020, 661–715, doi:10.1016/B978-0-08-102709-7.00016-4.

 

[4] Popa, D.; Udrea, F. Towards Integrated Mid-Infrared Gas Sensors. Sensors 2019, Vol. 19, Page 2076 2019, 19, 2076, doi:10.3390/S19092076.

 

[5] Mendes, E.; Duarte, N. Mid-Infrared Spectroscopy as a Valuable Tool to Tackle Food Analysis: A Literature Review on Coffee, Dairies, Honey, Olive Oil and Wine. Foods 2021, Vol. 10, Page 477 2021, 10, 477, doi:10.3390/FOODS10020477.

 

[6] Su, W.-H.; Sun, D.-W. Mid-infrared (MIR) Spectroscopy for Quality Analysis of Liquid Foods. Food Eng. Rev. 2019 113 2019, 11, 142–158, doi:10.1007/S12393-019-09191-2.

 

[7] Lane, M.D.; Bishop, J.L. Mid-infrared (Thermal) Emission and Reflectance Spectroscopy. Remote Compos. Anal. 2019, 42–67, doi:10.1017/9781316888872.005.

 

[8] Joassin, M.; Pirard, E.; Germay, C. Application of Mid-infrared Reflectance Spectroscopy for the Identification of Minerals Present in Oil & Gas/Mining Exploration. 2017.