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Nota 

Análisis de sustancias extrañas por FTIR: Manejo de los Espectros

El método FTIR es tan conveniente como efectivo para el análisis de sustancias extrañas y de otros defectos, y su uso se ha difundido en múltiples campos de aplicación. Abarca diversos métodos de medición y accesorios, incluso microscopía infrarroja y reflectancia atenuada total (ATR) de reflexión única. La elección del método de medición y de los accesorios adecuados para el objetivo del análisis es de gran importancia para obtener un espectro satisfactorio. Este artículo es una introducción acerca de los detalles de la información contenida en los espectros medidos, de cómo leer los resultados del análisis de sustancias extrañas y de cómo utilizarla.

1. Los efectos del muestreo**

En muchos casos, el análisis de sustancias extrañas por medio de FTIR se realiza después de llevar a cabo un muestreo. Si durante este proceso puede extraerse sólo la sustancia extraña, el análisis subsiguiente arrojará resultados (espectros) solamente acerca de esta sustancia. Sin embargo, si junto con ella se toma alguna otra sustancia, ésta tendrá un efecto en los resultados del análisis. Por ejemplo, si una sustancia extraña se extrae de un polvo o de un líquido, esto puede adherirse a la superficie de la sustancia o filtrarse dentro, y cualquier efecto que pueda llegar a causar debe ser identificado.

El espectro superior en la Fig.1 es el resultado de un análisis de una materia extraña fibrosa encontrada en un alimento por medio de ATR de reflexión única (utilizando un prisma de diamante). Estos resultados indican que el componente principal de la sustancia tiene una base de celulosa, aunque hay evidentes picos no relacionados con ella, como el que se ve cerca de los 1740 cm-1.El espectro medio en la Fig.1 es el resultado de un análisis del alimento en el que se encontró la sustancia extraña, utilizando el mismo método. El resultado es un espectro de éster de ácidos grasos (grasa o aceite), que coincide parcialmente con el espectro de la sustancia extraña de arriba.

El espectro inferior en la Fig.1 es el diferencial de los dos espectros superiores (sustancia extraña fibrosa – grasa/aceite). Al eliminar la grasa o el aceite se muestra el espectro de celulosa.

Como se observa en este caso, el análisis de una sustancia extraña puede verse afectado por el medio en el que ella fue encontrada. Además, puesto que el muestreo suele realizarse utilizando ya sea cinta adhesiva, un filtro de papel, o mediante secado, existe la posibilidad de que el adhesivo o parte del filtro queden adheridos a la sustancia. Estos efectos deben identificarse y eliminarse antes de proseguir con la siguiente etapa de análisis.

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2. Confirmación de la reproducibilidad

Cuando se realizan repetidos muestreos para múltiples ítems de una sustancia extraña, o cuando la muestra de esta sustancia es lo suficientemente grande como para alterar la posición de la medición, los análisis se multiplican. Aún cuando los resultados muestren diferencias en la intensidad pico o en la línea de base, se considera que las sustancias son idénticas (o uniformes) si coinciden los perfiles de los espectros. En este caso, se puede proseguir directamente con la siguiente etapa de análisis. Sin embargo, las diferencias en los perfiles de los espectros indican posibles errores en la recolección de la muestra o en alguna otra de las operaciones de medición (diferentes muestras, o contaminantes no uniformes). En el primer caso, la solución es repetir el muestreo y/o las otras operaciones; si varias repeticiones arrojan idénticos resultados, es probable que la causa sea uno de los otros factores.

Si los resultados difieren de acuerdo con la posición de la medición, se considera que la sustancia extraña no es uniforme o no es un único ítem. Si ella está compuesta de sustancias individuales y separadas, los espectros medidos también están completamente separados. En este caso, se puede proseguir directamente con la siguiente etapa de análisis. Sin embargo, una mezcla no uniforme de múltiples componentes da como resultado espectros similares de diferente intensidad pico. En este caso, se utiliza el espectro diferencial para obtener información más detallada.

La Fig.2 muestra el espectro de una sustancia extraña enrollada sobre una celda de diamante y medida utilizando microscopía infrarroja de transmisión. Se observan diferencias en la relación en la intensidad de los picos cerca de los 2900 cm-1 y los 1650 cm-1 debido a la posición de medición. Sin embargo, puesto que el número y las posiciones pico no difieren significativamente, se piensa que la muestra es una mezcla no uniforme de dos componentes.

La Fig.3 muestra los espectros diferenciales de los dos espectros de la Fig.2 (posición de medición A - posición de medición B, y posición de medición B - posición de medición A). El primero (A-B) representa una proteína, mientras que el segundo (B-A) representa poliisopreno, lo que sugiere que la muestra es una mezcla no uniforme de estos dos componentes.

fig2

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3. Comparación con un área normal o una parte nueva

Durante el análisis de defectos es común comparar el área defectuosa con un área normal o una parte nueva para determinar la causa del defecto. En particular, si el defecto no resulta del ingreso de una sustancia completamente diferente (como una sustancia extraña) sino que se debe al deterioro o a algún otro cambio en una parte del producto, la comparación con un área normal aclara las diferencias antes y después del cambio, e indica qué clase de cambio ocurrió.

La Fig.4 muestra los resultados de un análisis ATR de reflexión única (utilizando un prisma de diamante) realizado sobre un área normal y un área desteñida descubierta en un componente de resina. Los dos espectros corresponden a la resina de butadieno estireno (ABS). Sin embargo, una comparación entre ambos revela que los picos cercanos a los 1720 cm-1 y los 3400 cm-1 son más intensos en el espectro del área desteñida, mientras que el pico cercano a los 968 cm-1 es más débil.

Se cree que los picos cercanos a los 1720 cm-1 y los 3400 cm-1 son vibraciones correspondientes a los estiramientos C=O y O-H respectivamente; ninguno de estos picos está presente en la resina ABS. Estos resultados sugieren que la decoloración del área desteñida fue el resultado de una degradación oxidativa que rompió los dobles enlaces C=C del grupo trans-vinilo, formando un grupo C=O y otro O-H.

Foreign Matter Analysis by FTIR_Page_2_Image_00034. Evaluación multifacética utilizando otros métodos de análisis

La espectroscopia infrarroja que utiliza FTIR es un método efectivo para una identificación y un análisis cuantitativo de sustancias extrañas. Sin embargo, la técnica FTIR por sí sola a menudo no es suficiente para identificar la sustancia y determinar la causa del defecto. En casos así se requiere una evaluación multifacética que utilice información obtenida por medio de otros métodos analíticos. Entre los instrumentos habitualmente utilizados para analizar sustancias extrañas se encuentran el microscopio electrónico de barrido equipado con un espectrómetro de rayos X dispersivo en energía (SEM-EDS; información sobre la imagen y el elemento con un microscopio electrónico) y el espectrómetro de fluorescencia de rayos X dispersivo en energía (EDX; permite obtener con facilidad información sobre el elemento a presión atmosférica). No obstante, el ejemplo de análisis que presentamos a continuación utiliza un microscopio confocal de barrido láser (CLSM).

fig5

La Fig.5 muestra una microfotografía infrarroja de una anormalidad descubierta en la superficie de una película. Al parecer, hay numerosas partículas finas adheridas a la superficie en la parte inferior izquierda de la fotografía. Para analizar esta anomalía se utilizó el método ATR de microscopía infrarroja, efectivo para analizar áreas diminutas. La Fig.6 muestra los resultados de medición del área normal y anormal. En ambos se detecta el espectro de terftalato de polietileno (PET), pero ninguna diferencia evidente entre uno y otro. Por lo tanto, es muy probable que un fino polvo de la película de PET se haya adherido a la superficie de la película en el área de la anomalía.

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Luego, por medio de un microscopio confocal de barrido láser (CLSM), se llevaron a cabo observaciones y evaluaciones tridimensionales de la superficie de la película. Un microscopio CLSM es capaz de capturar imágenes de alta resolución de muestras no conductoras sin necesidad de un tratamiento previo especial. La evaluación tridimensional de la forma de la superficie simultáneamente ofrece información en cuanto a la altura. La ampliación va de 100x a 15.000x, aproximadamente.

La Fig.7 muestra la imagen CLSM del área de la anomalía en la película. El campo observado es de 64x48 µm. Se obtuvo una imagen clara, que muestra las partículas y lo que parecen ser rayones o rajaduras. La Fig.8 muestra el perfil de la altura a lo largo de la línea roja del medio de la Fig.7. Además de los incrementos en la altura esperados donde una partícula se adhiere a la superficie de la película, el perfil de la altura también revela depresiones, como valles en la superficie.

El análisis mediante microscopio infrarrojo reveló que tanto el área normal como la que presenta la anomalía son PET, y las observaciones mediante CLSM y la evaluación tridimensional de la forma de la superficie revelaron a su vez irregularidades diminutas en el área de la anomalía de la película. Esto no sugiere que se hayan adherido partículas de PET a la superficie, sino más bien que esta superficie no es lisa sino rugosa en una escala diminuta.

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Conclusiones

El objetivo último del análisis de una sustancia extraña, y de los análisis de defectos en general, es identificar la causa del defecto. Esto requiere una buena lectura de los resultados de la medición. Parte de la información contenida en estos resultados puede no ser necesaria; del mismo modo, parte de la información necesaria puede no estar contenida en estos resultados. El primer paso en la lectura de los datos obtenidos consiste en encontrar en qué parte del espectro se encuentra la información requerida. En esta nota presentamos lo básico de este proceso.

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