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  1. 1. Espectrometría Lectura N° 3 INSTRUMENTACIÓN PARA ESPECTROSCOPIALos instrumentos utilizados para el estudio de la absorción o emisión de la radiaciónelectromagnética como función de la longitud de onda, son llamados Espectrómetros omás frecuentemente Espectrofotómetros. Los principios ópticos y electrónica empleadosen los instrumentos son los mismos para espectroscopía UV, Visible o IR, sin embargohay ligeras diferencias en componentes específicos del instrumento para cada región delespectro electromagnético.Los componentes esenciales de un espectrofotómetro son :1. Una fuente estable de energía radiante2. Un sistema de lentes, espejos y aberturas (Slits ), que definan, colimen (hagan paralelo) y enfoquen el haz de radiación y un monocromador que separe la radiación de bandas estrechas de longitud de onda.3. Un componente transparente a la radiación que contenga la muestra4. Un detector de radiación o transductor que recibe la señal de radiación electromagnética y la convierte en una señal eléctrica de magnitud proporcional a la intensidad de la radiación recibida.5. Un sistema amplificador que produzca o genere una señal eléctrica mucho mayor a la señal recibida6. Un sistema de lectura tal como: Una escala de aguja, un registrador, un sistema de dígitos o una computadora, que transforme la señal eléctrica en una señal que el operador pueda interpretar.7. El diagrama de estos componentes es el siguiente: Figura 1: Diagrama de bloques para los componentes de un espectrofotómetro
  2. 2. Espectrometría Lectura N° 3FUENTES DE RADIACION: Estas consisten de materiales que son excitados a niveles demayor energía, por medio de descargas eléctricas de alto voltaje o por calentamiento.Cuando los electrones del material regresan del estado excitado al estado basal, emitenenergías características correspondientes a ∆E, la diferencia en energía entre el estadobasal y el estado excitado.Una fuente de radiación ideal, sería aquella que emitiese un espectro de igual intensidadsobre la región de interés, sin embargo la intensidad de ésta varía con la longitud deonda.Sí el voltaje que suministra energía eléctrica a la fuente varía, la intensidad en la relaciónemitida por ésta fuente también se altera, y esto afecta las lecturas las cuales sonefectuadas a intervalos.En instrumentos de doble haz la radiación que emerge de la fuente es dividido en dos:El haz de referencia y el haz de muestra. El transductor, el cual recibe las dos señalescompensa por los efectos de variación de voltaje o de intensidad en la fuente mismacancelando de ésta manera los efectos inherentes a la misma.Las fuentes de radiación utilizadas en espectroscopía son continuas o de líneas. Lasprimeras tienen amplio campo de aplicación en métodos espectroscópicos basados enabsorción molecular. Las fuentes de línea son empleadas en espectroscopia de absorciónatómica.FUENTES DE RADIACIÓN ULTRAVIOLETA: Las lámparas de hidrógeno y deuterio sonlas fuentes más comunes de radiación UV. Estas consisten de un par de electrodos en untubo de vidrio con ventanas de cuarzo, y que además contiene hidrógeno o deuteriogaseoso. Cuando se aplica un alto voltaje a los electrodos, ocurre una descarga deelectrones, lo cual excita las moléculas de gas y éstas pasan a niveles energéticossuperiores. Cuando los electrones de los átomos del gas regresan a su estado basalemiten radiación, la cual es continua en el rango de 180 a 350 nm.Para UV es posible también utilizar la lámpara de xenón, la cual emite una radiación másintensa, sin embargo ésta no es tan estable como la lámpara de hidrógeno y de deuterio,además de que emite radiación visible lo cual interfiere en las aplicaciones enespectroscopia UV.FUENTES DE RADIACIÓN VISIBLE: La lámpara de tungsteno es la fuente más barata ymás satisfactoria en espectroscopia visible e infrarroja. El filamento de tungsteno escalentado por medio de una fuente de corriente directa o por una bateria. Los filamentosde tungsteno, los cuales alcanzan una temperatura de aproximadamente 2900ºC, emitenradiación continua de 350 a 2500 nm. El arco de grafito emite una radiación más intensa,sin embargo es muy raro que ésta fuente sea utilizada en éste tipo de espectroscopía.FUENTES DE RADIACIÓN INFRARROJA: El Globar y la lámpara de Nernst son lasfuentes primarias de radiación infrarroja. El Globar es una barra de carburo de silicio quese calienta aproximandamente a 1200ºC. Este emite radiación en el rango de 1 a 40 µm yes muy estable. La lámpara de Nernst es una barra hueca de óxidos de itrio y de zirconiocalentados aproximadamente a 1500ºC. Esta lámpara emite radiación continua entre 0.4
  3. 3. Espectrometría Lectura N° 3y 20 µm y no es tan estable como el Globar, pero éste último requiere de enfriamiento conagua.MONOCROMADORESComo se indicó anteriormente, las fuentes de radiación emiten en forma continua sobreun determinado rango de longitudes de onda. El uso de bandas angostas de longitudesde onda de radiación tienen las siguientes ventajas:a) La radiación en bandas angostas permite la resolución de bandas de absorción que son muy cercanas entre sí.b) Con bandas angostas un pico puede ser medido a su máximo de absorción incrementando así la sensibilidad.c) Las bandas angostas de absorción tienden a seguir en mayor aproximación la Ley de Beer.Con la finalidad de resolver el haz policromático en bandas angostas de longitudes deonda se emplean filtros y monocromadores.FILTROS.- Los filtros y monocromadores son utilizados para obtener radiación de unrango angosto de longitudes de onda (radiación casi monocromática).Los filtros son materiales de un vidrio especial, el cual contiene sustancias que le dancolor al vidrio y que absorben una parte de la radiación y transmiten otra. Estos filtrostransmiten radiación en anchos de bandas de 20 a 50 nm aproximadamente.MONOCROMADORES.- Los monocromadores tienen capacidad de resolución de anchode banda 35 a 0.1 nm.Los componentes de un monocromador son:1. Una abertura que permita el paso de la radiación policromática de la fuente.2. Un colimador que puede ser una lente o un espejo.3. Un medio de dispersión que puede ser un prisma o una rejilla.4. Lentes de enfoque o espejos.5. Una abertura de salida.Todos los moncromadores tienen: una abertura de entrada; unos lentes colimadores o unjuego de espejos para producir un haz paralelo de radiación; un prisma o rejilla comoelemento de dispersión y un elemento de enfoque, el cual proyecta una serie deimágenes sobre una superficie plana (el plano focal). Adicionalmente, la mayoría de losmoncromadores tienen ventanas en las aberturas de entrada y salida para proteger loscomponentes del moncromador del polvo y los humos corrosivos que puedan existir en elambiente.En la Figura 2 se muestra el diseño óptico de dos monocromadores típicos, unoempleado como medio de dispersión de la radiación de un prisma y el otro una rejilla dedispersión.
  4. 4. Espectrometría Lectura N° 3Con propósitos de ilustración se muestra una fuente de radiación que solo emite dos otres longitudes de onda λ1> λ2>λ3. La radiación llega al monocromador a através de unaabertura rectangular (slit de entrada), es colimada y posteriormente incide con un ciertoángulo sobre la superficie del elemento dispersor (prisma o rejilla). En el prisma larefracción en las dos caras de éste, genera la dispersión angular de la radiación. En larejilla la dispersión ocurre como consecuencia del fenómeno de difracción.En ambos casos, la radiación ya dispersada se enfoca sobre el slit de salida, peroúnicamente sale del monocromador radiación de longitud de onda λ1. De ésta manera, dela radiación policromática generada por la fuente, solamente una porción de ésta incidirásobre la muestra.Sería deseable tener un ancho de banda sumamente pequeño (y un monocromadorpuede hacerlo), sin embargo, mientras menor sea el ancho de banda menor será lacantidad de fotones que lleguen al detector y consecuentemente la sensibilidad delinstrumento se ve disminuida. El ancho de banda se puede seleccionar con la abertura(slit width) y esto generalmente se hace en forma empírica. Figura 2: Dos tipos de monocromadores. (a) Monocromador de prisma tipo Bunsen. (b) Monocromador de rejilla tipo Czerney-Turner. λ1>λ2.PRISMAS.- El prisma, tal y como se ha mencionado con anterioridad separa la radiaciónpolicromática en bandas angostas y a diferentes ángulos. Para dirigir la radiación delongitud de onda seleccionada a la abertura de salida (slit) se hace girar el prisma pormedio de un mecanismo acoplado para este fin.Para una alta resolución de la radiación prolicromática (buena separación angular de laradiación de diferentes longitudes de onda), se requiere que la dispersión sea lo mayor
  5. 5. Espectrometría Lectura N° 3posible. La dispersión se defina como dθ/dλ la variación en ángulo de dispersión conrespecto a la variación en longitud de onda. Esta es la mayor desventaja de un prisma; ladispersión en un prisma es mayor para longitudes de onda cercanas a sus bandas deabsorción, y como la mayoría de los primas absorbe radiación UV, la dispersión seincrementa para longitudes de onda cortas. Por ejemplo el prisma de cuarzo exhibeexcelente dispersión a longitudes de onda cercanas a 200 nm, sin embargo la dispersióny la resolución es baja en la vecindad de los 700 nm. En forma general, mientras menorsea la longitud de onda que incide en el prisma mayor es su resolución.La Figura 3 es una gráfica de índice de refracción -lo cual es una medida de la capacidadde dispersión de un prisma- en función de longitud de onda.En términos de resolución, el prisma es más efectivo a longitudes de ondacercanas a su banda de absorción, sin embargo bajo estas circunstancias la energíatransmitida por el prisma se ve disminuida, y los requerimientos del detector pueden nosatisfacerse, siendo necesaria incrementar la abertura de la ventana del monocromador(slit) y se pierde resolución en el análisis.Todo lo anterior sirve para hacer comprender el equilibrio que debe existir entre el prismay los demás componentes del espectrofotómetro.MATERIALES DEL PRISMA.- El material del que está hecho el prisma debe sertrasparente a la radiación utilizada y un excelente medio dispersor.Para el UV pueden ser utilizados prismas de sílice o de cuarzo. Para el Visible e Infrarrojocercano, el vidrio ordinario con plomo muestra buenas cualidades. Para el Infrarrojo seutilizan sólidos iónicos cristalinos, siendo uno de los más utilizados el Cloruro de Sodio. Figura 3: Índice de Refracción como una función de la longitud de onda, para diferentes materiales.
  6. 6. Espectrometría Lectura N° 3REJILLAS.- Las rejillas como medio de dispersión de la luz son muy superiores a losprismas. Hasta hace poco años una de las desventajas de este tipo de dispersor era sucosto. Actualmente se ha desarrollado la tecnología para la elaboración de rejillas dedifracción en grandes cantidades y con aceptable calidad, lo cual ha traído comoconsecuencia un menor precio y un desplazamiento casi total a la utilización de rejillas dedifracción como elementos de resolución de haces policromáticos.Una de las desventajas de las rejillas dispersoras es la producción de radiación extraña,así como de espectros de segundo y tercer orden, pero estos efectos pueden serminimizados con el uso de filtros y una adecuado diseño del instrumento.En los instrumentos más modernos y de mejor calidad la rejilla de difracción hansustituido casi por completo el uso de los prismas como monocromadores.LENTES Y ESPEJOS.- La radiación es colimada y enfocada por lentes y espejos. Elmaterial de los lentes debe ser por supuesto trasparente a la radiación utilizada.En el Infrarrojo se utilizan espejos, ya que la mayoría de los materiales no sonsuficientemente trasparentes a la radiación Infrarroja y causan significantes pérdidas deenergía. También en espectroscopía Visible y UV se emplean con frecuencia los espejoscomo elementos o partes del monocromador.MANEJO DE LA MUESTRARECIPIENTES DE MUESTRA.- Las muestras para espectroscopia UV, Visible o IRpueden ser líquidas o gaseosas. Para UV es necesario utilizar celdas de cuarzo, ya que elvidrio absorbe radiación UV; para Visible pueden utilizarse cuarzo o vidrio común.Las celdas en UV y Visible pueden ser cilíndricas o cuadradas, y se prefieren éstasúltimas por tener mejor óptica. Las celdas deben de estar marcadas para que el paso delhaz de radiación sea siempre en el mismo lugar de la celda y de ésta manera compensarpor imperfecciones ópticas en las paredes de la celda.SOLVENTES.- El solvente de la muestra, la cual es responsable de la absorción de laradiación, debe disolver completamente la especie y ser trasparente a la región que seestá estudiando.En espectroscopia de flama el recipiente de muestra se puede considerar la flama misma,la cual además de proporcionar la energía necesaria para la atomización de loselementos tiene la función de sustentar momentáneamente los átomos formados.El solvente en una flama son los gases ahí producidos y que simultáneamente aparecencon la especie absorbente.
  7. 7. Espectrometría Lectura N° 3SISTEMAS DE DETECCIÓNLos detectores modernos general una señal como resultado de los fotones que llegan ychocan con él. Esta señal activa una aguja, envía una señal digital a un microprocesadory/o activa un graficador.El ruido, como ya se ha mencionado anteriormente, se refiere a una señal de fondogenerada por la vecindad del instrumento con otros aparatos y/o por cambios mismos enel sistema electrónico en el detector.Un buen instrumento debe reunir los siguientes requerimientos:a) El ruido debe ser mínimo para que no interfiera con la señal recibida.b) El tiempo de respuesta debe ser corto.c) Debe ser estable durante un largo período de tiempo.d) La señal percibida debe ser fácilmente amplificada.DETECTORES PARA UV Y VISIBLE.- Los fotones con radiación de longitud de onda envisible y UV, poseen suficiente energía para causar la fotoeyección de electrones cuandochocan en superficies que han sido tratadas con compuestos específicos.La absorción de estos fotones también puede causar que los electrones que seencuentran en la banda no conductora pasen a la banda de conducción, si el materialsobre el que inciden los fotones es un semiconductor. Ambos procesos general unacorriente eléctrica que es directamente proporcional al pode radiante de los fotonesabsorbidos. Los detectores que utilizan este sistema se denominan detectoresfotoeléctricos y son clasificados como fototubos y celdas fotovoltáicas.FOTOTUBOS.- Un fototubo consiste de: a) un cilindro al alto vacío (con una ventana de cuarzo para UV), b) un cátodo semicilíndrico, el cual tiene en su superficie un compuesto, con propiedades tales que los electrones de ésa substancia se pueden desprender con relativa facilidad. Este compuesto generalmente es un óxido de un metal alcalino (litio, sodio, potasio, etc.) o alcalinotérreos (calcio, bario, estroncio, etc.) y c) un ánodo que es un alambre metálico. A este sistema se le aplica una diferencia de potencial de aproximadamente 90 volts.La Figura 4 representa un sistema de detección a base de fototubo.La radiación que atraviesa la celda de muestra o de referencia pasa a través de unaventana de vidrio pyrex o cuarzo del cilindro, y choca con la superficie fotoemisiba delcátodo. Los fotones son absorbidos y transfieren su energía a los electrones débilmenteligados a la superficie del material. Estos electrones son desprendidos del cátodo y soncolectados por el ánodo, generándose un flujo de corriente en el circuito y la corrientegenerada es directamente proporcional al poder radiante de la radiación incidente.
  8. 8. Espectrometría Lectura N° 3 Figura 4: Diagrama esquemático de un fototuboLa corriente en el fototubo es función de la diferencia de voltaje entre el cátodo y el ánodoy de la longitud de onda de la radiación incidente. Si este llega en un amplio rango delongitudes de onda la corriente generada en el fototubo se desvía de la linearidad.La intensidad de corrriente en el fototubo es de alrededor de 10-11 amperes, por lo que secoloca una resistencia para aumentar la señal que entra al amplificador. El ruido en elfototubo se produce debido a la emisión de fotones del cátodo al ánodo que siempreexiste, aún y cuando no llegue energía radiante al fototubo. Este ruido aumenta con latemperatura y con el área del cátodo.TUBO FOTOMULTIPLICADOR.- Cuando incide radiación sobre una superficiefotoemisiba se genera un desprendimiento de electrones de dicha superficie. Si estoselectrones desprendidos se aceleran por medio de un campo eléctrico y chocan con otrasuperficie fotoemisiba, se desprenden más electrones que el primer caso. Si este procesose repite una y otra vez, se tendrá un efecto multiplicador de los fotones. Este es elprincipio de un tubo fotomultiplicador el cual se representa en la Figura 5.Después de 9 pasos de amplificación, un fotón original ha originado un desprendimientode aproximadamente 106 electrones. Los fototubos son utilizados primordialmente parapercibir señales de baja intensidad. Su desventaja más grande es el costo elevado deeste componente electrónico.
  9. 9. Espectrometría Lectura N° 3 Figura 5: Sección transversal de un tubo fotomultiplicador.FOTOCELDAS.- Las celdas fotovoltaicas son utilizadas para detectar y medir la radiaciónen la región visible y su rango de detección es aproximadamente el del ojo humano. Estasconsisten de una hoja de cobre o hierro, la cual sirve como electrodo, sobre la cual estádepositada una capa de un material semiconductor tal como óxido de cobre (I) o selenio(Figura 6). La superficie exterior del semiconductor es cubierta por una capa trasparentede oro, plata o plomo, el cual sirve como segundo electrodo o electrodo colector. Elsistema está protegido por una cubierta trasparente.Cuando incide radiación de suficiente energía sobre el semiconductor, los enlacescovalentes de este son rotos con el resultado de que se forman huecos y electrones en elsemiconductor. Para compensar este efecto los electrones emigran hacia la películametálica y los huecos a el electrodo que sirve de base al semiconductor. Los electronesliberados emigran a través del circuito externo para interaccionar con los huecos delsegundo electrodo y el resultado es el flujo de una corriente, cuya magnitud esproporcional a la intensidad de la radiación recibida. Esta corriente es lo suficientementegrande para ser medida con un galvanómetro o microamperímetro, por lo cual en estosinstrumentos generalmente el sistema de lectura es una aguja conectada a ungalvanómetro.El uso de fotoceldas adolece de las desventajas de que no tiene buenos límites desensibilidad, además de que se desgasta por fatiga con el tiempo y pierde suscaracterísticas originales. Cuando los requerimientos de sensibilidad no sean muyestrictos y para trabajo ordinario es recomendable equipos con este sistema de deteccióndebido a su bajo costo.
  10. 10. Espectrometría Lectura N° 3 Figura 6.-Construccion de una celda capa-barrera o fotovoltaicasAMPLIFICACIÓN Y LECTURA DE LA SEÑALLa señal electrónica generada por un detector de radiación, debe ser convertida a unaseñal que el operador del instrumento pueda leer e interpretar fácilmente. Este procesose efectúa con amplificadores, amperímetros, potenciómetros y graficadorespotenciométricos.AMPLIFICADORES.- Un amplificador toma una señal de entrada del detector y por mediode una serie de procesos electrónicos produce una señal de salida que es mucho mayora la de la entrada. El factor de amplificación que es llamado “la ganancia delamplificador”, es la relación entre la señal de salida y la señal de entrada. Generalmenteesta señales son voltajes.SISTEMA DE LECTURA.- Una vez que la señal de energía radiante ha sido trasformadaen una señal eléctrica y amplificada posteriormente, dicha señal pasa a un sistema delectura.En algunos equipos, la señal eléctrica amplificada se procesa para darle movimientoproporcional a una aguja, la cual indica la absorbancia o trasmitancia registrada, en unaescala que contiene el aparato. En esta escala, la absorbancia tiene como límites de 0 ainfinito, mientras que la transmitancia varía de 0 a 100%; la escala de absorbancia eslogarítmica y la de transmitancia es lineal (Figura 7).
  11. 11. Espectrometría Lectura N° 3 Figura 7: Relación entre trasmitancia y absorbancia.En instrumentos más modernos, la escala de absorbancia o de transmitancia se presentaen números digitales. También es posible a través de algunas funciones que elprocesador contiene, obtener la lectura directamente en concentración.El sistema digital más moderno, tiene la ventaja de que la lectura de a la señal está librade errores de criterio e interpretación del operador.Frecuentemente es conveniente obtener un registro de la señal en función del tiempo o alhacer variar la longitud de onda por ejemplo, para obtener un espectro de absorción deuna especie química. En este caso, lo más conveniente es registrar la señalcontinuamente y obtener de ella una gráfica que indique la variación de la propiedad enfunción de: el tiempo, la longitud de onda, etc.RUIDOEl factor limitante final en la precisión y sensibilidad de cualquier método analíticoinstrumental, es la presencia de extraña señales no deseadas que se sobreponen a laseñal generada por la substancia determinada analíticamente estas extrañas señales sonllamadas RUIDO, siendo derivada la terminología de la radioingeniería, donde lapresencia de dichas señales es reconocible en forma audible (estática).En la Figura 8 se representa el registro de un instrumento en el tiempo. El detectorsiempre está recibiendo señales debido al ruido. Estas señales deben ser mínimascomparadas con la señal del analito para así poder observar y medir esta con precisión.
  12. 12. Espectrometría Lectura N° 3 Figura 8: Registro en el tiempo de las diferentes señales (analito y ruido) en un instrumento analítico.FUENTES DE RUIDO.- El ruido está asociado con cada componente de un instrumento,esto es: la fuente, el transductor, el procesador de señal, y el sistema de lectura.Adicionalmente el ruido generado por cada uno de estos componentes puede ser dediferentes tipos y generado de diferentes formas. Por lo tanto, el ruido observable es unamezcla compleja de señales indeseables, el cual no puede ser totalmente caracterizado.El ruido instrumental puede ser dividido en cuatro categorías generales: el ruido Jhonsono ruido térmico; el ruido por golpeteo de electrones; el ruido Flicker y el ruido ambiental.INSTRUMENTOS DE DOBLE HAZ Y DE HAZ SENCILLOINSTRUMENTO DE HAZ SENCILLO.- En este tipo de instrumentos se requiere decalibrar el aparato a cero de absorbancia (o 100% de transmitancia) con el blanco. Unavez ajustado se retira la celda con el blanco y se colocan las muestras y estándares quesí contienen la especie absorbente y se efectúa la lectura correspondiente.Estos equipos requieren de componentes estables y de alta calidad en la fuente, detectory amplificador. Los parámetros de ajuste iniciales (cero y 100% de transmitancia o cero a∞ de absorbancia), deben permanecer estables durante periodos más o menos largos yhacer reajustes de estos parámetros periódicamente, si el instrumento se va a utilizarmás de 30 minutos. Este tipo de espectrofotómetros es más barato que los de doble haz,y se pueden utilizar ampliamente si los resultados que se desean obtener no requieren demuy alta precisión. Un instrumento típico de haz sencillo o de un solo haz es elrepresentado en la Figura 9:
  13. 13. Espectrometría Lectura N° 3 Figura 9: Sistema de espectrofotómetro de haz sencillo.INSTRUMENTOS DE DOBLE HAZ.- En estos aparatos el haz es dividido, e incide tantoen la celda que contiene el blanco como en la celda que contiene la muestra. El detectorcompara estas dos señales continuamente o muchas veces en un segundo y efectúa lalectura relacionando la lectura de la muestra con la lectura del blanco. De esta manera secompensan las fluctuaciones que pudiesen existir por: ruido, variación de voltaje,variación en la intensidad de la fuente luminosa, etc. Obviamente estos instrumentos sonmás complicados y costosos. En la Figura 10 se muestra un diagrama de unespectrofotómetro de doble haz.
  14. 14. Espectrometría Lectura N° 3 Figura 10: Diagrama esquemático de un espectrofotómetro de doble haz.

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