Ep 28 — Monitoreo ambiental: monitoreo de gases atmosféricos e identificación de fuentes de emisión
Serie: Enciclopedia de Espectroscopía Infrarroja: De los Principios a la Práctica
Capítulo: Tercera parte · Nivel Intermedio — Aplicaciones Industriales
Público: Técnicos en monitoreo ambiental, investigadores en química atmosférica, ingenieros de monitoreo de emisiones
Conocimientos previos: Ep 13 (Método de transmisión y celdas de gas), Ep 20 (Análisis cuantitativo), Ep 27 (Monitoreo ambiental de calidad del agua y suelo)
Tiempo de lectura: Aprox. 48 minutos
Introducción: La "huella dactilar" de una chimenea
En 2024, en una zona industrial, los residentes se quejaron de olores irritantes durante la noche. Cuando los agentes de protección ambiental llegaron al lugar, varias chimeneas estaban emitiendo normalmente, sin poder determinar qué fábrica estaba violando las normas [1].
El equipo de monitoreo instaló un sistema FTIR de trayectoria abierta (Open-Path FTIR), dirigiendo el haz infrarrojo a través de la pluma de humo y recibiéndolo a 500 metros. En solo 5 minutos de medición, el espectro mostró absorciones características de tolueno, diclorometano y acetato de etilo: la "huella dactilar" de emisiones del taller de limpieza de una fábrica electrónica [1].
"Open-Path FTIR can identify and quantify dozens of gases simultaneously, in real-time, without sampling."
— Guía del método FTIR de trayectoria abierta EPA OTM 10 [2]
El FTIR de gases es la "súper nariz" del monitoreo atmosférico: puede [1][2][3]:
- Identificar simultáneamente decenas de gases (VOCs, CO, NOₓ, SO₂, NH₃, etc.)
- Cuantificar en tiempo real (respuesta en segundos)
- Sin muestreo ni análisis (medición directa del aire ambiente mediante trayectoria abierta)
- Monitoreo a larga distancia (longitud de trayectoria desde cientos de metros hasta varios kilómetros)
Este episodio profundiza en los principios del FTIR de gases, el sistema técnico y la identificación práctica de fuentes de emisión, centrándose en la eliminación de interferencias de vapor de agua y CO₂, un desafío técnico central.
1. Bases físicas del FTIR de gases
1.1 Actividad infrarroja de moléculas gaseosas
La absorción infrarroja de moléculas en fase gaseosa difiere de la fase condensada [3][4]:
① Líneas espectrales muy estrechas (espectro de líneas):
- Las moléculas gaseosas tienen libertad de rotación, presentando un espectro vibratorio-rotacional
- Cada banda vibracional consiste en líneas rotacionales densas
- El ancho de línea es de aproximadamente 0.1–0.5 cm⁻¹ (influenciado por el ensanchamiento por presión y por efecto Doppler)
② Reglas de selección:
- Transición vibracional: Δv = ±1
- Transición rotacional: ΔJ = ±1 (rama P), ΔJ = +1 (rama R), ΔJ = 0 (rama Q)
- Forman la estructura característica de tres ramas PQR
③ Relación concentración-longitud de trayectoria (Beer-Lambert):
$$A = \varepsilon \cdot c \cdot L$$
- La concentración de gas c generalmente se expresa en ppm o mg/m³
- La longitud de trayectoria L es una variable clave — una trayectoria larga es la estrategia central para la detección de gases
🔗 Extensión: Para las posiciones de pico de contaminantes gaseosos comunes, además de consultar HITRAN, también se puede hacer referencia cruzada de grupos funcionales / picos en ftir.fun: agua, adsorbido/CO relacionado, nitro/nitrógeno-oxígeno relacionado, entrada de consulta de picos. Tenga en cuenta que la estructura fina vibratorio-rotacional en fase gaseosa no es exactamente equivalente a la página de grupos funcionales en fase condensada.
🔗 Extensión: El vapor de agua (H₂O), como componente principal de la atmósfera, tiene un espectro vibratorio-rotacional extremadamente complejo y es la principal fuente de interferencia en el análisis FTIR de gases. Para un análisis detallado, consulte la página del grupo funcional de la molécula de agua en ftir.fun.
1.2 Relación entre límite de detección y longitud de trayectoria
El límite de detección en FTIR de gases depende de la longitud de trayectoria [3][4]:
| Longitud de trayectoria | Límite de detección típico (ppm) | Escenario de aplicación |
|---|---|---|
| 10 cm (celda corta) | 10–100 | Alta concentración (gases de chimenea) |
| 10 m (celda larga) | 0.1–1 | Aire ambiente |
| 100 m (trayectoria abierta) | 0.01–0.1 | Aire ambiente, límite de planta |
| 500 m (trayectoria abierta) | 0.001–0.01 | Gases traza, monitoreo de fondo |
Tabla 1: Relación entre longitud de trayectoria y límite de detección (Fuente de datos: Griffiths & de Haseth [3])
2. Celdas de gas de trayectoria óptica larga
Para lograr la longitud de trayectoria efectiva necesaria para la detección de gases traza, las celdas de gas aumentan la trayectoria óptica mediante reflexiones múltiples [3][5].
2.1 Celda White (cubo de White)
La celda White, inventada por John White en 1942, es la celda de gas de trayectoria larga más clásica [3][5]:
Estructura: Tres espejos cóncavos (esféricos)
- La luz incidente se enfoca a través de un objetivo y se refleja repetidamente entre dos espejos de esquina
- Finalmente sale por la rendija de salida
Cálculo de la trayectoria:
$$L = N \cdot d$$
- N: número de reflexiones (generalmente 4–52, puede llegar a 100+)
- d: distancia entre espejos (generalmente 0.5–3 m)
- Trayectoria típica: 2–100 m (máximo ~300 m)
Trayectoria de la celda White (4 reflexiones esquemáticas):
Entrada → ┌───┐
│ Esp. A │ ─→ Esp. B
└───┘ ↓
←────┘
↓
Esp. C ─→ Salida
Características [3][5]:
- Volumen relativamente grande (decenas de litros)
- Longitud de trayectoria ajustable (cambiando el número de reflexiones)
- Sensible a la alineación óptica
- Adecuado para mediciones de alta precisión en laboratorio
2.2 Celda Herriott
La celda Herriott, propuesta por Herriott & Schulte en 1964, es una mejora compacta de la celda White [3][5]:
Estructura: Dos espejos cóncavos (esféricos o cilíndricos)
- La luz ingresa a través de un orificio desplazado del eje en un espejo
- Se refleja múltiples veces entre los dos espejos, formando una trayectoria elíptica de puntos
- Finalmente sale por el orificio de salida
Cálculo de la trayectoria:
$$L = N \cdot 2d$$
- N: número de reflexiones (generalmente 20–100+)
- d: distancia entre espejos (generalmente 10–30 cm)
- Trayectoria típica: 5–50 m (máximo ~200 m)
Características [3][5]:
- Volumen pequeño (0.5–5 L) — compacta
- Longitud de trayectoria fija (determinada en el diseño)
- Buena estabilidad óptica
- Adecuada para monitoreo portátil y en línea
📷 Figura 1: Comparación de trayectorias ópticas entre celda White y celda Herriott
Fuente: Imagen real/abierta · Unsplash — contaminación del aire/smog (con marca de agua ftir.fun)
https://www.thorlabs.com/newg…
2.3 Comparación de celdas de trayectoria larga comerciales
| Parámetro | Celda White | Celda Herriott |
|---|---|---|
| Número de espejos | 3 | 2 |
| Volumen | Grande (10–50 L) | Pequeño (0.5–5 L) |
| Longitud de trayectoria ajustable | Sí (cambiando N) | Fija |
| Alineación óptica | Difícil | Relativamente fácil |
| Trayectoria típica | 2–100 m | 5–50 m |
| Aplicación | Investigación en laboratorio | Portátil, en línea |
Tabla 2: Comparación entre celda White y celda Herriott
2.4 Puntos clave en la operación de celdas de gas
① Material de la celda [3]:
- Ventanas: KBr (infrarrojo medio), ZnSe (resistente a la humedad), CaF₂ (alta presión)
- Cuerpo de la celda: acero inoxidable o vidrio (niquelado anticorrosión)
② Control de temperatura:
- La concentración de gas se ve afectada por la temperatura (ley de los gases ideales PV=nRT)
- Para mediciones de alta precisión, se requiere control de temperatura a ±0.1 °C
③ Presión y purga:
- Medición estándar: presión atmosférica (101.3 kPa)
Reducir la presión puede disminuir el ensanchamiento de líneas (mejorando la resolución)
Antes de la medición, purgar con N₂ para eliminar los gases de fondo
III. Características Infrarrojas de los Contaminantes Atmosféricos
3.1 Absorción Infrarroja de los Principales Contaminantes Atmosféricos
| Contaminante | Fórmula molecular | Bandas de absorción principales (cm⁻¹) | Concentración típica | Fuente |
|---|---|---|---|---|
| Monóxido de carbono | CO | 2143 (fundamentales) | 0.1–10 ppm | Combustión, vehículos |
| Dióxido de nitrógeno | NO₂ | 1620, 2900 | 0.01–1 ppm | Combustión, vehículos |
| Óxido nítrico | NO | 1876 | 0.01–1 ppm | Combustión |
| Dióxido de azufre | SO₂ | 1361, 1151 | 0.01–1 ppm | Carbón, fundición |
| Amoníaco | NH₃ | 950, 3334 | 0.01–0.5 ppm | Agricultura, química |
| Metano | CH₄ | 3017, 2917 | 1.8 ppm (fondo) | Gas natural, agricultura |
| N₂O | N₂O | 1285, 2224 | 0.3 ppm (fondo) | Agricultura, industria |
| Benceno | C₆H₆ | 675, 1038, 1485, 1815 | 1–100 ppb | Química, disolventes |
| Tolueno | C₇H₈ | 728, 1030 | 1–100 ppb | Pinturas, disolventes |
| Formaldehído | HCHO | 2780, 1746 | 1–50 ppb | Decoración interior, combustión |
| Metanol | CH₃OH | 1033, 1345 | 1–100 ppb | Química, disolventes |
| Cloruro de hidrógeno | HCl | 2886 | 0.1–10 ppm | Incineración, química |
Tabla 3: Absorción infrarroja característica de los principales contaminantes atmosféricos (fuente de datos: EPA FTIR spectral library [2]; base de datos HITRAN [4])
3.2 Región de huella dactilar vs. Región cuantitativa
El espectro infrarrojo de las moléculas gaseosas se puede dividir en dos tipos de regiones [2][3]:
① Región cuantitativa (Quantitative Region):
- Seleccionar "ventanas" donde el gas objetivo tenga absorción fuerte y otros gases tengan absorción débil
- Ejemplo: la región de 2143 cm⁻¹ para CO (poca interferencia de H₂O, CO₂)
- Se utiliza para análisis cuantitativo
② Región de huella dactilar (Fingerprint Region):
- Líneas de vibración-rotación densas de múltiples gases
- Se utiliza para identificación cualitativa ("ver y reconocer")
- Difícil para cuantificación (solapamiento severo)
💡 Consejo práctico: El análisis cuantitativo de gases utiliza a menudo métodos quimiométricos multivariantes (CLS, PLS), que pueden resolver simultáneamente múltiples gases [2][3]. El método EPA OTM 10 utiliza mínimos cuadrados clásicos (CLS).
IV. FTIR de Trayecto Abierto (Open-Path)
4.1 Principio
Open-Path FTIR (OP-FTIR) no utiliza una celda de gas, sino que dirige el haz infrarrojo directamente a través de la atmósfera abierta [1][2][6]:
Configuración OP-FTIR (activa):
Fuente infrarroja ─→ Telescopio ──→ [Trayecto atmosférico 100-500 m] ──→ Telescopio ─→ Detector
↑
Pluma/nube contaminante cruzando el trayecto
Dos configuraciones [1][2][6]:
- Activa (Active): Fuente infrarroja propia, receptor remoto — trayectoria fija, señal fuerte
- Pasiva (Passive): Utiliza radiación térmica natural (luz solar, radiación del suelo) — sin fuente, pero menor sensibilidad
4.2 Modos de medición
① Monitoreo puntual [1]:
- Fuente y detector en el mismo extremo (reflector de esquina remoto devuelve)
- Mide concentración promedio en una trayectoria fija
- Adecuado para monitoreo de límites de fábrica, talleres
② Tomografía (Tomography) [6]:
- Múltiples trayectorias dispuestas en cruce
- Reconstruye mapa de concentración 2D
- Adecuado para monitoreo integral de parques industriales
③ Cruce de pluma [1][2]:
- El haz atraviesa la pluma de emisión de una chimenea
- Mide directamente la concentración de emisión
- Sin muestreo, evita distorsión de la muestra
4.3 Ventajas y limitaciones de OP-FTIR
Ventajas [1][2][6]:
- Sin muestreo: Evita pérdidas por adsorción y reacción durante el muestreo
- Tiempo real: Respuesta en segundos
- Multicomponente simultáneo: Una sola medición cubre decenas de gases
- Promedio de área: Mide concentración promedio a lo largo de la trayectoria, representativa
- Larga distancia: Trayectos de cientos de metros a kilómetros
Limitaciones [1][6]:
- Límite de detección: 1–2 órdenes de magnitud mayor que las celdas de gas (afectado por turbulencia atmosférica)
- Dependencia del clima: Lluvia, niebla, nieve afectan gravemente el trayecto
- Cuantificación compleja: Requiere conocimiento preciso de la trayectoria y distribución de temperatura/presión
- Alto costo del equipo: Telescopios, sistemas de seguimiento son costosos
📷 Fig. 2: Monitoreo de emisiones de chimenea con OP-FTIR en campo
Fuente: Imagen real/abierta · Archivo IR de la NASA Earth (marca de agua ftir.fun añadida)
https://www3.epa.gov/ttnemc01…
V. Monitoreo Continuo de Emisiones de Chimenea (CEMS)
5.1 Composición del sistema FTIR-CEMS
FTIR-CEMS (Continuous Emission Monitoring System) es un sistema estándar que utiliza FTIR para el monitoreo continuo de gases de chimenea de fuentes fijas [2][7]:
Flujo FTIR-CEMS:
Chimenea ─→ Sonda de muestreo (línea calefactada 180°C)
↓
Filtro de partículas
↓
Línea de transmisión calefactada (evitar condensación)
↓
Celda de gas FTIR (calentada a 180°C)
↓
Detector + Procesamiento de datos
↓
Resultados cuantitativos multigas → Plataforma de datos ambientales
① Sistema de muestreo [2][7]:
- Sonda de muestreo: Acero inoxidable, filtro frontal (> 2 μm de partículas)
- Línea calefactada: 180 °C constante, evita condensación de vapor de agua (evita pérdida de SO₂, HCl por disolución)
- Puerto de gas de calibración: Introduce gas estándar periódicamente para calibración
② Unidad de análisis FTIR [2][7]:
- Celda de gas: trayectoria de 10–20 m, calentada a 180 °C
- Resolución: 1–2 cm⁻¹ (los espectros de línea de gases requieren alta resolución)
- Frecuencia de escaneo: un espectro cada 1–5 minutos
③ Procesamiento de datos [2][7]:
- Cuantificación multivariante CLS (mínimos cuadrados clásicos)
- Biblioteca de espectros de referencia de gases NIST/EPA incorporada
- Sustracción automática de fondo de vapor de agua y CO₂
5.2 Parámetros medidos por CEMS
EPA Method 320 de EE. UU. especifica los principales contaminantes medibles por FTIR-CEMS [2]:
| Contaminante | Rango de medición (ppm) | Exactitud | Fuente típica |
|---|---|---|---|
| NO | 1–500 | ±5% | Combustión |
| NO₂ | 1–200 | ±5% | Combustión |
| SO₂ | 1–500 | ±5% | Carbón |
| CO | 1–1000 | ±5% | Combustión |
| HCl | 1–100 | ±10% | Incineración |
| HF | 0.1–20 | ±10% | Vidrio, fertilizantes |
| NH₃ | 1–100 | ±10% | Desnitrificación (SCR) |
| CO₂ | 0.1–20% | ±2% | Combustión |
| H₂O | 0.1–40% | ±5% | Combustión |
Tabla 4: Parámetros típicos de medición de FTIR-CEMS (fuente de datos: EPA Method 320 [2])
5.3 Estándar chino HJ 75
La norma técnica china HJ 75-2017 "Especificaciones técnicas para el monitoreo continuo de emisiones de gases de combustión fija (SO₂, NOₓ, partículas)" permite el uso de FTIR extractivo o FTIR de haz directo [7]:
Extractivo [7]:
- Muestreo con calefacción → medición en celda de gas FTIR
- Ventaja: compatible con los CEMS existentes
- Limitación: pérdidas en el muestreo (adsorción de partículas, condensación)
De haz directo (in-situ) [7]:
- Fuente de luz y detector instalados en lados opuestos del conducto
- El haz de luz atraviesa directamente el gas del conducto
- Ventaja: sin pérdidas en el muestreo
- Limitación: difícil alineación, mantenimiento complejo
VI. Sustracción de interferencias de vapor de agua y CO₂
6.1 Problema de interferencia de fondo atmosférico
El vapor de agua atmosférico (0.1–4%) y el CO₂ (0.04%) son las principales fuentes de interferencia en el análisis de gases por FTIR [3][4][8]:
Regiones de interferencia del vapor de agua [3][4]:
- 3400–4000 cm⁻¹ (estiramiento O-H) — enmascara NH₃, HCHO
- 1300–2000 cm⁻¹ (flexión H-O-H y combinación) — enmascara NO₂, SO₂, HCHO
- 5000–5600 cm⁻¹ (combinación) — interferencia en el infrarrojo cercano
Regiones de interferencia del CO₂ [3][4]:
- 667–730 cm⁻¹ (flexión) — enmascara COVs
- 2280–2390 cm⁻¹ (estiramiento asimétrico) — enmascara CO
🔗 Ampliación: La compleja espectroscopia rotovibracional del vapor de agua se analiza en página del grupo funcional del agua de ftir.fun. Comprender las bandas de absorción del agua es la base para la sustracción de interferencias.
6.2 Métodos tradicionales de sustracción
① Método de resta [3][8]:
- Medir fondo de aire puro (o N₂)
- Restar vapor de agua y CO₂ del espectro de la muestra
- Limitación: la concentración de vapor de agua varía con el tiempo; el fondo es difícil de igualar con precisión
② Ajuste de espectro de referencia [3][8]:
- Usar la base de datos HITRAN para calcular espectros de referencia de alta resolución de vapor de agua y CO₂
- Ajustar al espectro de la muestra y restar la contribución
- Limitación: requiere conocer con precisión la temperatura, presión y longitud de trayectoria
③ Selección de ventanas [2]:
- Elegir regiones de "ventana" con baja absorción de vapor de agua para cuantificar
- Ejemplo: cuantificar CO a 2143 cm⁻¹ (absorción débil de agua)
- Limitación: restringe los tipos de gases medibles
6.3 VaporFit: herramienta automática de sustracción atmosférica
VaporFit es un software de código abierto para sustracción atmosférica publicado en 2025 en Phys. Chem. Chem. Phys. [8]:
"VaporFit permite la sustracción automática del vapor de agua atmosférico y CO₂ de los espectros FTIR, mejorando significativamente la detección de gases traza."
— Bruzdowski et al., PCCP 2025 [8]
Algoritmo principal [8]:
- Modelado: generar espectros de referencia de vapor de agua y CO₂ basados en la base de datos HITRAN
- Ajuste: ajustar los espectros de referencia al espectro de la muestra mediante mínimos cuadrados no lineales
- Sustracción: restar las contribuciones ajustadas de vapor de agua y CO₂ del espectro de la muestra
- Iteración: optimizar iterativamente los parámetros de ajuste (concentración, temperatura, forma de línea instrumental)
Características [8]:
- Automático: no requiere ajuste manual de parámetros
- Código abierto: implementado en Python, uso gratuito
- Universal: compatible con cualquier espectro FTIR de gases
- Alta precisión: residual de sustracción < 1%
Repositorio GitHub: https://github.com/piobruzd/V… [8]
Ejemplo de uso [8]:
from vaporfit import VaporFit
# Cargar espectro de muestra
vf = VaporFit(spectrum_file="sample.spc")
# Ajustar y restar automáticamente vapor de agua y CO₂
vf.fit_atmosphere()
corrected = vf.get_corrected_spectrum()
# Guardar espectro corregido
corrected.save("corrected.spc")
6.4 Comparación del efecto de sustracción
Una muestra de aire que contiene 0.5 ppm de HCHO, comparación antes y después de la sustracción [8]:
| Tratamiento | Visibilidad del pico HCHO a 1746 cm⁻¹ | Precisión cuantitativa |
|---|---|---|
| Sin sustracción | Invisible (enmascarado por agua) | No cuantificable |
| Resta tradicional | Visible, pero línea base distorsionada | ±50% |
| Sustracción con VaporFit | Claramente visible | ±5% |
Tabla 5: Efecto de la sustracción atmosférica con VaporFit (fuente: Bruzdowski et al. [8])
💡 Conclusión clave: La sustracción atmosférica es una "habilidad básica" en el análisis FTIR de gases. Herramientas automáticas como VaporFit democratizan este proceso que antes requería experiencia experta, permitiendo que no especialistas en espectroscopia obtengan resultados cuantitativos de alta calidad para gases traza [8].
📷 Figura 3: Comparación de espectros antes y después de la sustracción de vapor de agua con VaporFit
Fuente: diagrama didáctico de ftir.fun (con marca de agua; no es espectro real, solo para comprensión conceptual)
https://github.com/piobruzd/V…
VII. Estudio de caso: Identificación de fuentes de COVs en un parque industrial
7.1 Antecedentes
Un parque químico industrial de 5 km² alberga más de 30 empresas (pinturas, plásticos, intermediarios farmacéuticos, etc.). Los residentes se quejaron repetidamente de olores, pero con muchas empresas en el parque, era difícil localizar las principales fuentes de emisión [1][6].
7.2 Esquema de monitoreo con OP-FTIR
El equipo de investigación instaló 4 puntos de monitoreo OP-FTIR en el límite y el interior del parque [1][6]:
① Punto norte: trayectoria de 300 m, monitoreo del límite norte del parque
② Punto este: trayectoria de 200 m, monitoreo del límite de una fábrica de pinturas
③ Punto sur: trayectoria de 500 m, monitoreo del límite sur del parque (lado residencial)
④ Punto central: trayectoria de 400 m, monitoreo del centro del parque
7.3 Resultados del monitoreo
El monitoreo continuo de 24 horas identificó 15 COVs, hallazgos principales [1]:
| Período | Contaminantes principales | Rango de concentración (ppb) | Origen |
|---|---|---|---|
| 03:00–06:00 | Tolueno, xileno, acetato de etilo | 50–200 | Fábrica de pinturas (emisión nocturna ilegal) |
| 09:00–11:00 | Metanol, acetona | 30–80 | Planta de intermediarios farmacéuticos |
| 14:00–17:00 | Diclorometano, cloroformo | 20–50 | Planta de plásticos |
| 20:00–23:00 | Estireno | 40–100 | Planta de poliestireno |
Tabla 6: Características de emisión de COVs identificadas por OP-FTIR (fuente: informe de monitoreo [1])
7.4 Valor de identificación de fuentes
La huella química del OP-FTIR permitió una identificación precisa de fuentes [1][6]:
- Combinación tolueno + acetato de etilo → característica de fábrica de pinturas (formulación de disolventes)
- Combinación metanol + acetona → subproductos de síntesis de intermediarios farmacéuticos
- Diclorometano solo → limpiador de planta de plásticos
- Estireno solo → monómero no reaccionado en planta de polimerización de PS
💡 Conclusión clave: Cada fábrica tiene una "huella de COVs" única — la capacidad de identificación simultánea de múltiples componentes del FTIR hace posible esta identificación de fuentes por huella, algo que los sensores de un solo objetivo (como NDIR para CO) no pueden lograr [1].
VIII. Experiencia práctica en FTIR de gases
8.1 Selección de resolución
La selección de resolución en FTIR de gases es crítica [2][3]:
| Resolución (cm⁻¹) | Escenario de aplicación | Tiempo de escaneo | Volumen de datos |
|---|---|---|---|
| 0.1–0.5 | Investigación de laboratorio de alta precisión, comparación con HITRAN | Largo (10–60 min) | Grande |
| 0.5–1 | CEMS de gases de combustión, cuantificación de gases estándar | Medio (1–5 min) | Medio |
| 2–4 | Cribado rápido de aire ambiente | Corto (10–60 s) | Pequeño |
| 8–16 | Medición bruta de gases de alta concentración | Muy corto (< 10 s) | Pequeño |
Tabla 7: Guía de selección de resolución
⚠️ Nota: El ancho de línea de rotación-vibración de las moléculas de gas es de aproximadamente 0.1–0.5 cm⁻¹; una resolución peor de 1 cm⁻¹ reduce significativamente la precisión cuantitativa. Sin embargo, mayor resolución implica mayor tiempo de escaneo y menor SNR. Es necesario equilibrar según la aplicación [2][3].
8.2 Forma de línea instrumental (ILS)
Forma de línea instrumental (Instrument Line Shape, ILS) es la función que describe la capacidad de resolución del instrumento FTIR [3]:
- Determinada por la resolución (máximo recorrido del espejo móvil)
- También afectada por la función de apodización
- La ILS determina el grado de ensanchamiento de las líneas espectrales
Corrección de ILS [3]:
- Medir líneas estrechas conocidas (p. ej., gases HBr, HCl)
- Ajustar los parámetros de la forma de línea instrumental
- Corregir el efecto ILS en el análisis cuantitativo
8.3 Gases de calibración y librerías espectrales
① Calibración con gas estándar [2]:
- Adquirir gases estándar trazables al NIST
- Medir la respuesta del instrumento en concentraciones conocidas
- Establecer curvas de trabajo
② Librerías de espectros de referencia [2][4]:
- NIST WebBook: Espectros IR en fase gas
- Espectros de referencia FTIR de EPA/EMC: Orientados a HAP, escala abierta de cientos de especies
- Librería PNNL: 480 compuestos orgánicos en fase gas FTIR
- HITRAN: Espectros de alta resolución de 47 moléculas pequeñas en fase gas
🔗 Extensión: El Episodio 55 detallará las bases de datos espectrales gratuitas.
Resumen de este episodio
| Punto de conocimiento clave | Aspectos destacados |
|---|---|
| Principio de FTIR de gases | Las moléculas en fase gaseosa producen espectros de líneas de rotación-vibración, requiriendo trayectoria óptica larga para detección |
| Celdas White | Triple espejo de reflexión múltiple, trayectoria óptica de 2–100 m, gran volumen |
| Celdas Herriott | Doble espejo de reflexión múltiple, trayectoria óptica de 5–50 m, pequeño volumen |
| Características de contaminantes atmosféricos | CO 2143, NO₂ 1620, SO₂ 1361, NH₃ 950 cm⁻¹, etc. |
| OP-FTIR | Monitoreo de trayectoria abierta sin muestreo, trayectoria óptica de 100–500 m |
| CEMS | Muestreo con calentamiento + celda FTIR, EPA Method 320 |
| HJ 75 | Norma china CEMS para fuentes fijas, permite tipo extractivo/pasivo |
| Interferencia de vapor de agua | Fuerte absorción en 3400–4000, 1300–2000 cm⁻¹ |
| Interferencia de CO₂ | Fuerte absorción en 667–730, 2280–2390 cm⁻¹ |
| VaporFit | Herramienta de código abierto para sustracción automática de atmósfera, disponible en GitHub |
| Cuantificación CLS | Regresión multivariante clásica de mínimos cuadrados, permite resolver múltiples gases simultáneamente |
| Resolución | Cuantificación de gases requiere 0.5–2 cm⁻¹; cribado ambiental puede usar 2–4 cm⁻¹ |
| Valor de trazabilidad | Identificación de fuentes de emisión mediante huella química de COV |
Preguntas de reflexión
- Un espectro FTIR de gas muestra líneas de rotación-vibración evidentes alrededor de 2143 cm⁻¹. Infiera el gas probable y explique por qué esta región es adecuada para la cuantificación.
- ¿Cuáles son las ventajas y desventajas de las celdas White y Herriott? Para diseñar un esquema portátil de monitoreo atmosférico, ¿cuál elegiría y por qué?
- La señal de OP-FTIR disminuye significativamente en condiciones de lluvia o niebla. Explique la razón desde una perspectiva óptica y proponga estrategias de mitigación.
- En la medición de SO₂ con FTIR-CEMS en gases de chimenea, se encuentra que el resultado es un 30% mayor de lo esperado. ¿Cuáles podrían ser las causas? ¿Cómo depurarlo?
- Después de la sustracción de vapor de agua con VaporFit, aparece un pico débil en 1746 cm⁻¹ en una muestra. ¿Qué contaminante podría ser? ¿Cómo confirmarlo?
- ¿Por qué la cuantificación por FTIR de gases requiere una resolución más alta (1–2 cm⁻¹) que la de líquidos/sólidos? Explique desde la perspectiva de la espectroscopia molecular.
- Diseñe un esquema de monitoreo con OP-FTIR para localizar emisiones ilegales nocturnas de una planta química, detallando los pasos de ubicación, medición y trazabilidad.
Referencias
Normas y métodos
[1] US EPA. "OTM 10: Open-Path Fourier Transform Infrared Spectroscopy (OP-FTIR) for Source Emission Monitoring." EPA Emission Measurement Center.
https://www3.epa.gov/ttnemc01…
[2] US EPA. "Method 320: Measurement of Vapor Phase Organic and Inorganic Emissions by Extractive Fourier Transform Infrared (FTIR) Spectroscopy." EPA CFR 40 Part 63, Appendix A.
https://www3.epa.gov/ttn/emc/…
[7] Ministerio de Ecología y Medio Ambiente de la República Popular China. HJ 75-2017 Especificación técnica para el monitoreo continuo de emisiones de gases de combustión (SO₂, NOₓ, partículas) de fuentes fijas. China Environmental Science Press, 2017.
Principios y revisiones
[3] Griffiths PR, de Haseth JA. Fourier Transform Infrared Spectrometry. 2nd ed. Wiley, 2007. Capítulo 10: "Gas-Phase Spectroscopy"; Capítulo 19: "Atmospheric Monitoring."
[4] Rothman LS et al. "The HITRAN 2012 Molecular Spectroscopic Database." Journal of Quantitative Spectroscopy and Radiative Transfer, 2013, 130: 4–50. DOI:10.1016/j.jqsrt.2013.07.002.
https://hitran.org/
[5] Thorlabs. "Multipass Gas Cells for FTIR Spectroscopy." Technical Documentation.
https://www.thorlabs.com/newg…
[6] Russwurm GM, Childers JW. "Open-Path Fourier Transform Infrared Spectroscopy." Handbook of Vibrational Spectroscopy, Wiley, 2006. DOI:10.1002/0470027320.s4604.
Herramienta de sustracción atmosférica
[8] Bruzdowski P et al. "VaporFit: An Open-Source Tool for Automatic Subtraction of Atmospheric Water Vapor and CO₂ from FTIR Spectra." Physical Chemistry Chemical Physics, 2025, 27. DOI:10.1039/D5CP01007A.
GitHub: https://github.com/piobruzd/V…
Recursos de bases de datos
[ftir.fun] ftir.fun Base de datos de espectros infrarrojos. Página de grupo funcional de agua:
https://ftir.fun/ir/group/wat…
[NIST] NIST Chemistry WebBook. Espectros IR en fase gas.
https://webbook.nist.gov/chem…
[PNNL] Pacific Northwest National Laboratory. "FTIR Spectra of Vapor Phase Chemicals."
https://secure2.pnl.gov/nsd/n…
Avance del próximo episodio: Ep 29 — Petroquímica: Análisis de productos petrolíferos y calidad de combustibles
Pasaremos a la industria petroquímica, explicando las características infrarrojas de la gasolina, el diésel y los lubricantes, los métodos cuantitativos para compuestos oxigenados en combustibles (metanol, etanol, MTBE), el monitoreo del envejecimiento de lubricantes (valor de oxidación, valor de nitración, valor de sulfuración), y los estándares de la industria ASTM E2412 y JOAP.
Este artículo está licenciado bajo CC BY-NC-SA 4.0. Las imágenes provienen del dominio público o de recursos web con fuente indicada, los derechos de autor pertenecen a sus respectivos autores.


