Ep 14 — Introducción a las técnicas de muestreo: ATR (Reflectancia Total Atenuada) — el método moderno más utilizado

Serie: Enciclopedia de espectroscopia infrarroja: de los principios a la práctica
Capítulo: Segunda parte · Nivel principiante — Entrando al laboratorio
Público objetivo: Estudiantes universitarios de pregrado y posgrado, técnicos que recién ingresan al laboratorio
Conocimiento previo: Ep 13 (método de transmisión)
Tiempo de lectura: Aproximadamente 38 minutos

Introducción: la invención de un "vistazo furtivo"

En 1959, el fisicoquímico Johannes Fahrenfort del laboratorio de Shell en los Países Bajos, mientras investigaba fenómenos de interfaz, descubrió un fenómeno peculiar: cuando la luz pasa de un medio de alto índice de refracción a uno de bajo índice, y el ángulo de incidencia es mayor que un cierto "ángulo crítico", ocurre reflexión total — pero la reflexión no es "completamente limpia", parte de la energía "cruza furtivamente" hacia el medio de bajo índice en forma de onda evanescente, siendo absorbida por las moléculas allí [1][2].

Fahrenfort se dio cuenta agudamente: ¿no es este un excelente método de muestreo infrarrojo? Simplemente coloque la muestra en la superficie del cristal, deje que la luz infrarroja se refleje totalmente dentro del cristal, y la onda evanescente "echará un vistazo" a la información molecular de la muestra — sin preparación de muestra, sin prensado de pastillas, sin celdas líquidas [1][2].

En 1961, Fahrenfort publicó un artículo en Spectrochimica Acta proponiendo formalmente el método espectroscópico ATR (Reflectancia Total Atenuada) [1]. Posteriormente, Paul Wilks y Harrick Scientific en Nueva York comercializaron el ATR, llevándolo gradualmente a los laboratorios [2].

Pero el ATR temprano tenía un problema crítico: los materiales de los cristales eran demasiado frágiles. Materiales como KBr-5, ZnSe son blandos, fáciles de rayar y no resistentes a la corrosión. No fue hasta finales de la década de 1990 que la aparición del ATR de diamante cambió completamente la situación: el diamante tiene la mayor dureza, es químicamente inerte y tiene un amplio rango espectral, convirtiendo al ATR en una herramienta universal de "colocar y medir" [3][4].

Hoy en día, más del 90% de los instrumentos FTIR nuevos vendidos en el mundo vienen equipados con accesorios ATR estándar [3][4]. Desde control de calidad farmacéutico hasta pruebas rápidas en el lugar de la escena forense, desde adulteración de alimentos hasta identificación de plásticos, el ATR está casi en todas partes. En esta entrega, profundizaremos en los principios, técnicas y aplicaciones prácticas de este "estándar de la espectroscopia infrarroja moderna".

I. Principios físicos del ATR

1.1 Refracción, reflexión y reflexión total

Para entender el ATR, primero repasemos los fenómenos de refracción y reflexión de la luz [5][6]:

Ley de Snell (ley de refracción): cuando la luz pasa del medio 1 (índice de refracción $n_1$) al medio 2 (índice de refracción $n_2$):

$$n_1 \sin\theta_1 = n_2 \sin\theta_2$$

donde $\theta_1$ es el ángulo de incidencia y $\theta_2$ es el ángulo de refracción [5][6].

Dos casos [5][6]:

Ángulo crítico: en la reflexión interna, cuando $\theta_2 = 90°$ (la luz refractada viaja a lo largo de la interfaz), el ángulo de incidencia correspondiente es [5][6]:

$$\theta_c = \sin^{-1}\left(\frac{n_2}{n_1}\right)$$

Reflexión total interna (TIR): cuando el ángulo de incidencia $\theta > \theta_c$, la luz ya no entra en el medio 2, sino que se refleja completamente de vuelta al medio 1 [5][6].

                 Medio 1 (alto índice n₁, cristal ATR)
                          ↘  θ₁
         Luz incidente  ─────────────→ ╲│
                              ────── Interfaz
         Luz reflejada  ←─────────────╱│  θ₂
                          ↗  
                 Medio 2 (bajo índice n₂, muestra)

    Cuando θ₁ > θc → Reflexión total interna (TIR) → Base del ATR

📷 Figura 1: Diagrama esquemático del principio de reflexión total
Fuente: Nota de aplicación de Harrick Scientific [2]
https://harricksci.com/applic…

1.2 Onda evanescente

La reflexión total no significa que "no entre nada de luz en el medio 2". La solución rigurosa de las ecuaciones de Maxwell muestra que el campo electromagnético penetra la interfaz hacia el medio 2, pero su intensidad decae exponencialmente con la profundidad — esto es la onda evanescente [2][5][6][7].

La ley de atenuación de la intensidad del campo eléctrico de la onda evanescente con la profundidad $z$ es [2][6][7]:

$$E(z) = E_0 \cdot \exp\left(-\frac{z}{d_p}\right)$$

donde $d_p$ es la profundidad de penetración, definida como la profundidad a la que la intensidad del campo decae a 1/e (aproximadamente 37%) del valor superficial [2][6][7].

1.3 Fórmula de la profundidad de penetración

La literatura clásica de Harrick Scientific proporciona la fórmula de cálculo de la profundidad de penetración [2][6][7]:

$$d_p = \frac{\lambda}{2\pi n_1 \sqrt{\sin^2\theta - \left(\frac{n_2}{n_1}\right)^2}}$$

donde:

• $\lambda$: longitud de onda de la luz infrarroja (μm)
• $n_1$: índice de refracción del cristal ATR
• $n_2$: índice de refracción de la muestra
• $\theta$: ángulo de incidencia

Valores típicos [2][6][7]:

• Región del infrarrojo medio (4000–400 cm⁻¹, es decir, 2.5–25 μm)
• ATR de diamante ($n_1$ = 2.4), muestra $n_2$ ≈ 1.5, ángulo de incidencia 45°
• Profundidad de penetración $d_p$ ≈ 0.5–5 μm (aumenta linealmente con la longitud de onda)

"The evanescent wave typically penetrates less than 5 µm into the sample."
—— Nota de enseñanza ATR de Shimadzu [6]

💡 Punto clave: La profundidad de penetración es proporcional a la longitud de onda, lo que significa que los picos en la región de longitud de onda larga (bajo número de onda) son relativamente más fuertes que los de longitud de onda corta (alto número de onda) — esta es la raíz de la diferencia de forma entre los espectros ATR y de transmisión (ver Sección 6).

1.4 Generación de la señal ATR

Cuando la muestra absorbe luz infrarroja de una frecuencia específica dentro del rango de la onda evanescente [2][7]:

1. La energía de la onda evanescente es absorbida por las moléculas de la muestra (transición vibracional)
2. La intensidad de la luz reflejada total se atenúa a esa frecuencia
3. Después de múltiples reflexiones, la atenuación acumulada de la luz saliente forma un espectro de absorción detectable

De ahí proviene el nombre "Reflectancia Total Atenuada" — la intensidad de la luz reflejada total se atenúa debido a la absorción de la muestra [2][7].

      Cristal ATR
    ┌─────────────┐
    │  ╲    ╲    ╲│  ← Múltiples reflexiones totales
    │   ╲    ╲    │
    │    ╲    ╲   │  ← Onda evanescente en cada reflexión
    └────┴────┴───┘       penetra la superficie de la muestra
       ↑    ↑    ↑
      Muestra adherida a la parte inferior del cristal

II. Materiales del cristal ATR

2.1 ¿Por qué se necesita un cristal de "alto índice de refracción"?

De la fórmula del ángulo crítico $\theta_c = \sin^{-1}(n_2/n_1)$ se observa [2][5][6]:

• Cuanto mayor sea $n_1$ (índice del cristal) → menor será el ángulo crítico → más fácil cumplir la condición de reflexión total
• La mayoría de los compuestos orgánicos tienen $n_2$ ≈ 1.4–1.6
• Por lo tanto, el cristal ATR necesita $n_1$ ≥ 2.0 para funcionar de manera estable [2][6]

2.2 Comparación de los cuatro cristales ATR principales

La siguiente tabla compara los cuatro materiales de cristal más utilizados en los instrumentos ATR modernos [3][4][8][9]:

Tabla 1: Comparación de materiales de cristal ATR principales (Fuentes: Bruker [3]; Specac [4]; Harrick [8]; art photonics [9])

2.3 Diamante ATR: El "estándar" del laboratorio moderno

¿Por qué el diamante se ha convertido en la opción preferida para el ATR moderno? Los materiales técnicos de Bruker proporcionan una respuesta clara [3]:

"Diamond is a great universal material as it works well for almost any sample. Diamond is extremely hard and chemically inert, so it is very resistant to chemical and physical damage."
—— Documentación técnica de Bruker ATR [3]

Cinco ventajas del diamante ATR [3][4][8]:

① Dureza extremadamente alta: Dureza Mohs 10, dureza Knoop 10000, es el más duro de todos los materiales de cristal. Puede soportar la presión de accesorios de alta presión, adecuado para muestras difíciles como polvos duros, minerales, cerámicas [3][8].

② Inercia química: Resistente a todos los ácidos y bases (pH 1–14), no reacciona con ningún reactivo químico común [3][4].

③ Amplio rango espectral: Rango de transmisión 40000–200 cm⁻¹, cubre el infrarrojo medio y lejano [4].

④ Índice de refracción moderado: $n_1$ = 2.4, la diferencia de índice con la mayoría de los compuestos orgánicos ($n_2$ ≈ 1.5) es suficientemente grande, el ángulo crítico es de aproximadamente 39°, dejando margen [4][8].

⑤ No tóxico y seguro: No contiene metales pesados (a diferencia de KRS-5 que contiene talio, ZnSe que contiene selenio) [4].

Limitaciones del diamante ATR [3][4][8]:

• Alto precio: El cristal ATR de diamante monocristalino cuesta 5–10 veces más que el ZnSe
• Banda de absorción 2700–1800 cm⁻¹: El diamante tiene absorción propia en esta región (armónicos de vibración C-C), que interfiere con la señal de la muestra [3][4]
• No adecuado para muestras de alto índice de refracción: Como caucho con carga de carbono negro ($n_2$ cercano a 2.0), se debe usar cristal de Ge [3][8]

⚠️ Nota: El diamante ATR tiene una banda de absorción en la región 2700–1800 cm⁻¹, que son armónicos de las vibraciones de la red del diamante. Si los picos de interés están en esta región (como C≡N 2250 cm⁻¹, C≡C 2100 cm⁻¹, Si-H 2200 cm⁻¹), se deben elegir cristales de ZnSe o Ge [3][4].

2.4 ZnSe: La opción de buena relación calidad-precio

ZnSe (seleniuro de zinc) es el artífice de la popularización del ATR: barato, rendimiento equilibrado [3][4][8]:

• Ventajas: $n_1$ = 2.4 (igual que el diamante), rango de transmisión 7800–550 cm⁻¹, sin absorción propia en el IR medio, señal más fuerte [4]
• Desventajas: Baja dureza (Knoop 137), no resiste ácidos y bases fuertes (pH limitado a 5–9), no resiste arañazos [4][8]

Adecuado para: Líquidos comunes, sólidos blandos, laboratorios docentes [4][8]

Evitar: Polvos duros (rayan el cristal), muestras de ácidos y bases fuertes, muestras que contengan amoníaco/aminas (forman complejos que corroen el ZnSe) [4][8]

2.5 Ge: Especialista en análisis de superficie

Ge (germanio) tiene el índice de refracción más alto ($n_1$ = 4.0), lo que aporta dos ventajas únicas [3][4][8]:

① Profundidad de penetración muy superficial: Aproximadamente 0.2–0.5 μm (5–10 veces más superficial que el diamante), adecuado para análisis de superficie (como recubrimientos, modificación superficial) [3][8]

② Adecuado para muestras de alto índice de refracción: Como caucho negro, polímeros con carga de carbono ($n_2$ cercano a 2.0) [3]

Limitaciones [4][8]:

• Frágil (Knoop 580, pero baja tenacidad, propenso a romperse)
• No resiste ácidos oxidantes (HNO₃, H₂SO₄+H₂O₂)
• Rango de transmisión estrecho (5500–600 cm⁻¹)
• El índice de refracción varía mucho con la temperatura (requiere control de temperatura)

2.6 Si: IR lejano y aplicaciones especiales

Características del Si (silicio) [4][8][9]:

• Índice de refracción $n_1$ = 3.5 (entre diamante y Ge)
• Alta dureza (Knoop 1150), solo superado por el diamante
• Rango de transmisión especial: 8000–1350 cm⁻¹ y 500–33 cm⁻¹ (en medio, 1350–500 cm⁻¹, tiene fuerte absorción de fonones) [4]
• Uso principal: Mediciones en IR lejano (inorgánicos, compuestos de coordinación, organometálicos) [4][9]

2.7 Decisión de selección de cristal

Andrew Davies, científico de aplicaciones de Specac, proporciona los principios de selección [4]:

"When choosing a crystal, it is important to consider chemical compatibility, the required spectral range, and the refractive index of your crystal (nc) and sample (ns)."
—— Artículo técnico de Specac ATR [4]

Proceso de selección [3][4][8]:

                        Muestra desconocida
                              │
              ┌──────────────┼──────────────┐
              │              │              │
            Muestra        Alto índice    IR lejano
            común           de refracción  (< 400 cm⁻¹)
            (mayoría)      (caucho negro, etc.)
              │              │              │
         ┌────┴────┐        Ge             Si
         │         │
       Dura/     Blanda/
       corrosiva común
         │         │
       Diamante   ZnSe
       (general)  (económico)

Figura 2: Árbol de decisión para la selección del material de cristal ATR (basado en Specac [4] y Bruker [3])

3. ATR de reflexión simple vs. múltiple

3.1 ATR de reflexión simple (Single Bounce ATR)

Estructura: La luz infrarroja sufre una sola reflexión total dentro del cristal y luego sale al detector [6][8][10].

    Luz incidente → ╲    ╱ → Luz saliente
                      ╲  ╱
                       ╲╱  ← Punto de reflexión simple
                      ─────
                       Muestra

Características [6][8][10]:

• Señal más débil (solo una reflexión de absorción)
• Poca cantidad de muestra (área del punto de reflexión pequeña, aproximadamente 1–2 mm²)
• Adecuado para casos con poca cantidad de muestra (como evidencia traza forense, pequeñas partículas de fármacos)
• Los ATR de diamante modernos suelen ser de diseño de reflexión simple

3.2 ATR de reflexión múltiple (Multi-Bounce ATR)

Estructura: La luz infrarroja sufre múltiples reflexiones totales (generalmente 5–15) dentro del cristal, acumulando absorción en cada reflexión [6][8][10].

Luz incidente → ╲╲╲╲╲╲╲╲ → Luz emitida
              ─────────
                Muestra
    (Múltiples reflexiones, acumulación de señal)

Fórmula de longitud de camino efectiva [6]:

$$\text{EPL} = N \cdot d_p$$

donde N es el número de reflexiones y $d_p$ es la profundidad de penetración única. La celda HATR de Shimadzu (ATR horizontal) tiene N = 10 [6].

Características [6][8][10]:

• Señal fuerte (absorción acumulada por múltiples reflexiones)
• Gran cantidad de muestra (gran área superficial del cristal, aproximadamente 80×10 mm)
• Adecuado para líquidos, pastas, soluciones y otros casos que requieren un área de muestra grande
• Diseños clásicos: ATR horizontal (HATR), ATR circular (CIRCLE ATR)

3.3 Comparación de los dos tipos

Tabla 2: Comparación entre ATR de reflexión simple y múltiple (fuente de datos: Shimadzu [6]; Harrick [8])

Cuatro, Contacto de la muestra y mecanismo de presión

4.1 ¿Por qué el contacto es tan crucial?

La onda evanescente del ATR penetra solo 0.5–5 μm en la superficie de la muestra, por lo que el contacto íntimo entre la muestra y el cristal es clave para el éxito del ATR [3][6][8].

Las notas de enseñanza de Shimadzu enfatizan [6]:

"Good contact between the sample and the crystal must always be maintained since the evanescent wave only penetrates less than 5 µm into the sample."

Si el contacto es deficiente, la onda evanescente "atravesará" el espacio de aire ($n_{aire}$ = 1.0, con una gran diferencia respecto al cristal $n_1$ = 2.4, ángulo crítico ~25°), viendo realmente el aire en lugar de la muestra, resultando en una señal espectral muy débil [6][8].

4.2 Mecanismo de presión

Para asegurar un buen contacto, los ATR modernos están equipados con mecanismo de presión [3][8][10]:

① Presión de resorte (más común)

• Tornillo manual + resorte
• Presión aproximadamente 10–20 N
• Adecuado para la mayoría de muestras sólidas
• Barato, estructura simple [3][8]

② Presión neumática (modelos de alta gama)

• Pistón accionado por aire comprimido
• Presión ajustable (10–100 N)
• Buena reproducibilidad de presión, adecuado para análisis cuantitativo
• Utilizado en Bruker Platinum ATR, Thermo iD7, etc. [3][10]

③ Accesorio de alta presión (aplicaciones especiales)

• Presión hasta 100–500 N
• Para muestras duras (minerales, cerámica, recubrimientos metálicos)
• Solo el cristal de diamante puede soportarlo [3][8]

4.3 Técnicas de contacto para diferentes muestras

Polvo sólido [3][6][8]:

• Tomar 1–5 mg de polvo y cubrir el centro del cristal
• Aplicar presión lentamente para evitar salpicaduras
• La presión aplasta el polvo para que se adhiera a la superficie del cristal
• Problema común: partículas grandes → mal contacto; se debe moler primero

Sólido en bloque (como plástico, caucho, recubrimientos) [3][8]:

• Cortar una pieza plana pequeña (aproximadamente 5×5 mm)
• Colocar el lado plano hacia abajo sobre el cristal
• Presionar para que la superficie se adapte
• Problema común: superficie rugosa → mal contacto; se debe lijar

Líquidos [3][6]:

• Colocar directamente 1–2 gotas sobre el cristal
• El líquido se extiende naturalmente, sin necesidad de presión
• Ventaja: el contacto líquido es el mejor, la SNR suele ser la más alta
• Nota: para líquidos volátiles, medir rápidamente o tapar

Pastas/geles [3][8]:

• Tomar una pequeña cantidad y untar sobre el cristal
• Presionar ligeramente para cubrir uniformemente
• Adecuado para alimentos, cosméticos, muestras biológicas

💡 Consejo profesional: para muestras difíciles de contactar (como fibras, bordes de películas), se puede colocar una gota de disolvente (como etanol) sobre el cristal, dejar que la muestra se "adhiera" al cristal y medir después de que el disolvente se evapore [8].

4.4 Limpieza y mantenimiento

Procedimiento de limpieza después de la medición ATR [3][8]:

1. Usar algodón desengrasado o papel sin polvo humedecido con etanol (o isopropanol)
2. Limpiar suavemente la superficie del cristal
3. Repetir 2–3 veces para asegurar que no queden residuos de muestra
4. Confirmar que el cristal esté limpio y seco antes de adquirir el fondo

Precauciones [3][8]:

• Evitar raspar el cristal con objetos duros (especialmente ZnSe, Ge)
• Evitar la limpieza con ácidos y bases fuertes (corroe ZnSe)
• El cristal de diamante se puede limpiar con cualquier disolvente común
• Cuando no se use durante mucho tiempo, proteger el cristal con una cubierta antipolvo

Cinco, Ventajas y limitaciones de aplicación del ATR

5.1 Ventajas principales del ATR

Bruker resume las cinco razones por las que el ATR se ha convertido en la técnica principal moderna [3]:

① Sin preparación de muestra

• Sólidos, líquidos, polvos, pastas se miden directamente
• Se eliminan los tediosos pasos de prensado de KBr, llenado de celdas líquidas, etc.
• El tiempo de medición se reduce de 10–30 minutos a 1–2 minutos [3]

② No destructivo

• La muestra se puede recuperar después de la medición
• Adecuado para muestras valiosas, evidencia forense
• Se puede utilizar para monitoreo en línea [3]

③ Amplia aplicabilidad de muestras

• "The sample can be virtually any material, size, or shape" [3]
• Casi todos los sólidos y líquidos se pueden medir

④ Buena reproducibilidad

• La longitud de camino está determinada por los parámetros del cristal, no afectada por el operador
• La reproducibilidad del análisis cuantitativo es mejor que con el prensado de KBr [3][6]

⑤ Limpieza conveniente

• Solo se necesita limpiar el cristal después de la medición
• No es necesario desmontar y limpiar (a diferencia de las celdas líquidas)

5.2 Limitaciones del ATR

① Selectividad superficial [3][8]

• La onda evanescente penetra solo 0.5–5 μm
• Mide la superficie, no representa el volumen
• Para muestras con composición superficial y de volumen diferente (como recubrimientos, materiales modificados en superficie), se debe tener cuidado en la interpretación de resultados

② La profundidad de penetración varía con la longitud de onda [6][8]

• En la región de longitud de onda larga (bajo número de onda), la penetración es mayor y la señal más fuerte
• Esto provoca que el espectro ATR tenga una forma diferente al espectro de transmitancia (ver Sección 6)
• Se necesita un algoritmo de corrección ATR

③ Influencia del índice de refracción de la muestra [4][8]

• Las muestras con alto índice de refracción ($n_2$ > 1.7) pueden acercarse al ángulo crítico, causando distorsión del espectro
• Caso típico: caucho con carga de negro de carbón, muestras oscuras
• Solución: usar cristal de Ge ($n_1$ = 4.0)

④ "Distorsión" de muestras con absorción fuerte [4][8]

• El índice de refracción de la muestra cambia anormalmente cerca de picos de absorción fuertes (dispersión anómala)
• Esto causa asimetría en la forma del pico y desplazamiento de la posición en el espectro ATR
• Solución: algoritmo de corrección ATR

⑤ No adecuado para gases [3]

• El índice de refracción de los gases es cercano a 1.0, muy diferente al del cristal
• Además, los gases no pueden "adherirse" a la superficie del cristal
• La medición de gases aún requiere celdas de gas de camino largo (Ep 13)

5.3 Aplicaciones del ATR en diversas industrias

Tabla 3: Aplicaciones típicas del ATR en diversas industrias

🔗 Extensión: La información de grupos funcionales medida por ATR se puede comparar con la base de datos de grupos funcionales de ftir.fun. Por ejemplo, después del envejecimiento de polímeros, el pico C=O se intensifica; se puede visitar la página de grupos funcionales carbonilo de ftir.fun para consultar el rango de frecuencia.

VI. Espectro ATR vs. Espectro de Transmisión

6.1 Origen de las Diferencias Morfológicas

Aunque las posiciones de los picos en los espectros ATR y de transmisión son similares, existen diferencias sistemáticas en las intensidades [6][8][14]:

Causa fundamental: La profundidad de penetración $d_p$ es proporcional a la longitud de onda $\lambda$ [6][8]:

$$d_p \propto \lambda$$

• Longitudes de onda largas (bajo número de onda): mayor penetración → más absorción → pico relativamente más fuerte
• Longitudes de onda cortas (alto número de onda): menor penetración → menos absorción → pico relativamente más débil

Comparación de espectros ATR y de transmisión de la misma muestra de poliestireno [6][14]:

Tabla 4: Comparación de intensidades en diferentes regiones entre ATR y transmisión

6.2 Desplazamiento de Picos

Además de las diferencias de intensidad, los espectros ATR también presentan desplazamiento de picos y distorsión de forma cerca de picos de absorción fuertes [4][8][14]:

Causa: Dispersión anómala (Anomalous Dispersion) [4][8]

• Cerca de un pico de absorción, el índice de refracción $n_2$ de la muestra cambia drásticamente
• Esto provoca variaciones en el ángulo crítico y la profundidad de penetración
• Resultado: el pico se desplaza unos cm⁻¹ hacia números de onda más bajos, con forma asimétrica

Manifestación típica [4][8]:

• Los picos fuertes se desplazan más que los débiles
• Las muestras con alto índice de refracción muestran desplazamientos más severos
• El pico C=O en ATR puede estar 2–5 cm⁻¹ por debajo del espectro de transmisión

6.3 Algoritmo de Corrección ATR

Para que los espectros ATR puedan coincidir con las bibliotecas de espectros de transmisión, los softwares FTIR modernos incluyen algoritmos de corrección ATR (ATR Correction) [6][8][14]:

Principio de corrección [6][14]:

1. Medir el espectro ATR $A_{ATR}(\nu)$
2. Multiplicar por un factor de corrección de longitud de onda (proporcional al número de onda $\nu$):

$$A_{corregido}(\nu) = A_{ATR}(\nu) \cdot \nu \cdot \frac{\nu_{ref}}{\nu}$$

1. Corregir el desplazamiento de pico (basado en un modelo de índice de refracción)
2. Generar un espectro "pseudo-transmisión" que puede compararse con bibliotecas estándar

Precauciones [8][14]:

• La corrección ATR es un algoritmo aproximado, no puede eliminar completamente todas las diferencias
• La distorsión de picos de absorción fuertes es difícil de corregir por completo
• Para análisis de posición de pico preciso (como identificación de polimorfos), se recomienda usar directamente el espectro ATR original con una biblioteca ATR propia

💡 Consejo práctico:

• Identificación cualitativa: Usar el espectro ATR corregido con bibliotecas de transmisión
• Análisis de polimorfos/posición de pico precisa: Usar el espectro ATR original con biblioteca ATR propia
• Análisis cuantitativo: Usar el espectro ATR original, manteniendo condiciones de medición fijas (presión, cristal, temperatura) [8][14]

6.4 Ejemplo Comparativo: Acetato de Etilo ATR vs. Transmisión

Comparación de dos mediciones de la misma muestra de acetato de etilo [14]:

Tabla 5: Comparación de intensidades ATR vs. transmisión para acetato de etilo (Fuente: Nota técnica de Thermo Scientific [14])

Se observa claramente: cuanto menor es el número de onda, mayor es la intensidad relativa en ATR, lo que concuerda perfectamente con la predicción de la fórmula de profundidad de penetración $d_p \propto \lambda$.

🔗 Extensión: Para datos detallados de picos del grupo éster, consulte página de grupo funcional éster en ftir.fun.

VII. Integración de Instrumentos ATR Modernos

7.1 Productos ATR de los Principales Fabricantes

Bruker [3]:

• Platinum ATR: Reflexión única de diamante, presión neumática, integrado en series ALPHA II y TENSOR
• Lumos: Micro ATR completamente automático para muestras pequeñas
• HTS-XT: ATR de alto rendimiento con placa de 96 pocillos

Thermo Fisher [10]:

• Smart iTR: Cristal intercambiable de diamante/ZnSe/Ge, compatible con Nicolet iS50
• iD5 ATR: ATR compacto de diamante, compatible con Nicolet iS5
• iD7 ATR: Presión neumática, mayor rendimiento

Shimadzu [6]:

• QATR-S: Reflexión única de diamante, compatible con IRAffinity-1 e IRTracer-100
• MIRacle ATR (fabricado por PIKE): ZnSe/Ge/diamante opcionales

PerkinElmer:

• Universal ATR: Reflexión única de diamante, compatible con series Spectrum

7.2 Integración y Automatización Inteligente

Tendencias de los accesorios ATR modernos [3][10]:

• Plug-and-Play: Tecnología de reconocimiento de accesorios, configuración automática de parámetros tras la instalación
• Presión automática: Presión neumática o eléctrica, garantizando repetitividad
• Visualización: Cámara incorporada para observar el contacto de la muestra
• Integración de software: Adquisición de fondo y muestra con un solo clic, corrección ATR automática

💡 Flujo de trabajo moderno (ejemplo con Bruker Platinum ATR) [3]:

1. Abrir el software, seleccionar modo "Medición ATR"
2. Adquirir fondo (cristal limpio)
3. Colocar la muestra sobre el cristal
4. Presionar el botón de presión (presurización neumática automática)
5. Hacer clic en "Adquirir muestra"
6. El software procesa y muestra automáticamente el espectro
7. Limpiar el cristal

¡Todo el proceso dura 1–2 minutos!

VIII. Comparación Integral entre ATR y Transmisión

8.1 Tabla Comparativa General

Tabla 6: Comparación integral ATR vs. Transmisión

8.2 Guía de Selección: ¿Cuándo usar ATR y cuándo Transmisión?

Escenarios para priorizar ATR [3][4][6]:

• Identificación rápida diaria (cribado de muestras desconocidas)
• Muestras acuosas (soluciones acuosas, fluidos biológicos)
• Muestras difíciles de moler (caucho, plástico, fibras)
• Análisis de superficie (recubrimientos, modificaciones)
• Muestras valiosas/irreemplazables (objetos de arte, evidencias forenses)
• Cribado de alto rendimiento

Escenarios para priorizar Transmisión [1][6][15]:

• Identificación farmacopeica (métodos estándar ChP, USP)
• Análisis cuantitativo de gases
• Análisis cuantitativo que requiere un control preciso de la trayectoria óptica
• Muestras con capas muy gruesas o muy absorbentes

• Cuando se necesita una comparación directa con una biblioteca de transmisión extensa (sin corrección)

• Análisis cuantitativo preciso (requiere longitud de trayectoria controlable)

• Muestras gaseosas
• Coincidencia exacta con bibliotecas de espectros de referencia (los datos históricos suelen ser de transmisión)
• Medición en infrarrojo lejano (requiere ventanas de CsI)
• Enseñanza (aprender principios básicos)

🔗 Extensión: La Farmacopea de EE. UU. (USP) capítulo general <1854> (Espectroscopia Mid-IR) permite el uso de ATR, pero requiere validación de equivalencia del método [11].

IX. Aplicaciones avanzadas de ATR

9.1 Monitoreo de reacciones in situ

ATR se puede utilizar para monitorear reacciones químicas in situ [3][13]:

• Colocar la solución de reacción sobre el cristal de ATR
• Adquirir espectros en tiempo real (uno cada 10–30 segundos)
• Monitorear el consumo de reactivos y la formación de productos
• Aplicaciones: Reacciones de polimerización, esterificación, degradación de fármacos

Caso: Monitoreo de síntesis de poliuretano [3]

• El pico de isocianato (NCO, 2270 cm⁻¹) desaparece gradualmente
• El pico de Amida I del poliuretano (1700 cm⁻¹) aumenta gradualmente
• Calcular la conversión en función del tiempo

9.2 Imágenes ATR-FTIR

Combinado con detector de plano focal (FPA), ATR se puede extender a imágenes químicas [13]:

• Resolución espacial: aproximadamente 1–5 μm (limitada por la longitud de onda de la onda evanescente)
• Obtener miles de espectros de píxeles simultáneamente
• Aplicaciones: Disolución de tabletas farmacéuticas, distribución de mezclas de polímeros, imágenes de tejidos biológicos

📷 Fig. 3: Principio de imágenes ATR-FTIR y visualización del proceso de disolución de fármacos
Fuente: Grupo Kazarian, Imperial College London [13]
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/…

9.3 ATR de ángulo variable

Cambiando el ángulo de incidencia, se puede ajustar la profundidad de penetración, permitiendo análisis de perfil de profundidad [2][8]:

• Mayores ángulos de incidencia → penetración más superficial
• Menores ángulos de incidencia (cerca del ángulo crítico) → penetración más profunda
• Aplicaciones: Análisis de espesor de recubrimientos, estudios de gradiente superficial

9.4 ATR polarizado

Usando luz polarizada (polarización s vs p), se puede estudiar la orientación molecular [2][8]:

• El campo eléctrico de la onda evanescente de luz polarizada p tiene un componente perpendicular, sensible a vibraciones perpendiculares a la superficie
• El campo eléctrico de la onda evanescente de luz polarizada s solo tiene componente paralelo
• Aplicaciones: Orientación de cristales líquidos, orientación por estiramiento de polímeros, estructura secundaria de proteínas

X. Perspectiva histórica y tendencias futuras

10.1 Breve historia del desarrollo de ATR

Tabla 7: Breve historia del desarrollo de ATR

10.2 Tendencias futuras

① Portabilidad [3]

• ATR-FTIR de mano (ej. Bruker ALPHA II)
• Inspección rápida en campo: seguridad alimentaria, forense, medio ambiente
• Alimentado por batería, biblioteca de espectros integrada

② Automatización y alto rendimiento [3]

• Automuestreador (placa de 96 pocillos)
• Medición por lotes sin supervisión
• Cribado de alto rendimiento en control de calidad farmacéutico

③ Imágenes y análisis multidimensional [13]

• Imágenes FPA-ATR de alta resolución espacial
• Imagen cinética in situ
• Fusión multimodal con Raman, XPS

④ Procesamiento inteligente de datos [3]

• Identificación asistida por aprendizaje automático
• Interpretación automática de espectros
• Biblioteca espectral en la nube y análisis remoto

Resumen de esta sección

Preguntas de reflexión

1. Usando ATR de diamante ($n_1$ = 2.4, ángulo de incidencia 45°) para medir una muestra de poliestireno ($n_2$ = 1.59), calcule el ángulo crítico y la profundidad de penetración a 1000 cm⁻¹. (Sugerencia: $\lambda$ = 10 μm)
2. La misma muestra se mide con ATR y transmisión, y se encuentra que en el espectro de ATR el pico a 720 cm⁻¹ es mucho más fuerte que el pico a 3000 cm⁻¹, mientras que en el espectro de transmisión las intensidades son similares. Explique por qué.
3. Necesita medir el espectro infrarrojo de una muestra de caucho con relleno de negro de carbón. Al medir con ATR de diamante, el espectro está severamente distorsionado. ¿Qué cristal debería usar? ¿Por qué?
4. La farmacopea especifica que la identificación de principios activos se realice mediante el método de pastilla de KBr, pero en el laboratorio diario es más conveniente usar ATR. Si desea reemplazar la pastilla de KBr con ATR, ¿qué validaciones de método debe realizar?
5. Al medir una muestra acuosa con ATR, el pico O-H del agua (3400 cm⁻¹) es mucho más débil que el pico C=O de la muestra (1700 cm⁻¹), pero en la medición por transmisión ambas intensidades son similares. ¿Por qué?

Referencias

[1] Fahrenfort J. "Attenuated Total Reflection: A New Principle for the Production of Useful Infra-Red Reflection Spectra of Organic Compounds." Spectrochimica Acta, 1961, 17(7): 698–709. DOI:10.1016/0375-9397(61)80056-4.

[2] Milosevic M. "Internal Reflection and ATR Spectroscopy." Applied Spectroscopy Reviews, 2004, 39(3): 365–384. DOI:10.1081/ASR-200030195.
https://mmrc.caltech.edu/FTIR…

[3] Bruker. "Attenuated Total Reflectance (ATR)." FT-IR Technology Overview.

https://www.bruker.com/en/pro…

[4] Davies A. "Choosing the Right ATR Crystal." Specac Theory Articles, 2018.
https://specac.com/theory-art…

[5] Hecht E. Optics. 5th ed. Pearson, 2017. Chapter 4. ISBN: 978-0-13-397722-6.

[6] Shimadzu. "Determination of Sample Penetration Depth and Effective Pathlength during FTIR-ATR Measurements." Teaching Note 220-93223-01.
https://www.ssi.shimadzu.com/…

[7] Harrick Scientific. "Introduction to Attenuated Total Internal Reflectance (ATR)." Technical Documentation.
https://harricksci.com/applic…

[8] Harrick Scientific. "Internal Reflection and ATR Spectroscopy." Application Notes.
https://harricksci.com/applic…

[9] art photonics. "ATR Crystal Choice for Fiber-based Process Spectroscopy." Technical Note #001, 2024.
https://artphotonics.com/wp-c…

[10] Thermo Fisher Scientific. "Smart iTR Attenuated Total Reflectance (ATR) Sampling Accessory." Product Documentation.
https://www.thermofisher.com/…

[11] USP General Chapter <1854>. "Mid-Infrared Spectroscopy." United States Pharmacopeia.

[12] van Haaren C, De Bock M, Kazarian S G. "Advances in ATR-FTIR Spectroscopic Imaging for the Analysis of Tablet Dissolution and Drug Release." Molecules, 2023, 28(12): 4705. DOI:10.3390/molecules28124705.
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/…

[13] Kazarian S G, Ewing A V. "Applications of FTIR Spectroscopic Imaging to Tablet Dissolution and Drug Release." Expert Opinion on Drug Delivery, 2013, 10(9): 1207–1221. DOI:10.1517/17425247.2013.802832.

[14] Thermo Fisher Scientific. "ATR Correction Algorithm." Nicolet FTIR Application Note AN-011.
https://www.thermofisher.com/…

[15] 中华人民共和国药典委员会. 中华人民共和国药典 2020 年版四部通则 0402 红外分光光度法. 中国医药科技出版社.

[16] Delbeck S, Heise H M. "FT-IR versus EC-QCL Spectroscopy for Biopharmaceutical Quality Assessment." Analytical and Bioanalytical Chemistry, 2020, 412(19): 4647–4658. DOI:10.1007/s00216-020-02718-1.
https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/…

Avance del próximo episodio: Ep 15 — ATR vs Transmisión: ¿Cuándo usar cuál?
Compararemos ATR y transmisión en diferentes tipos de muestra (polvos, líquidos, polímeros, gases) a través de casos prácticos, estableceremos un proceso sistemático de selección de métodos y proporcionaremos análisis comparativos de espectros de la misma muestra.

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