1. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
MÉTODOS ESPECTROSCÓPICOS
DE ANÁLISIS
2. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
El proceso analítico general
MUESTRA
ETAPAS BÁSICAS
DEL
Operaciones PROCESO ANALÍTICO
previas
Medición de la
propiedad
analítica
Adquisición y
tratamiento de
datos
RESULTADOS
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3. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
El proceso analítico general
Análisis, determinación y medida
Análisis : proceso que proporciona información física o química acerca de
los componentes de una muestra o de la propia muestra
Analitos : Componentes que interesan de una muestra.
Matriz: Todos los componentes de una muestra que no son analitos
Determinación : Análisis de una muestra para identificar la identidad,
concentración o propiedades del analito.
Medida : Determinación experimental de las propiedades químicas o
físicas de una analito
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4. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
El proceso analítico general
Técnicas, métodos, procedimientos y protocolos
Técnica : Principio físico o químico que puede emplearse para analizar una
muestra.
Método : Medio para analizar una muestra a fin de hallar un analito dado en
una matriz específica
Procedimiento : Instrucciones escritas que señalan la forma de analizar una
muestra.
Protocolo: conjunto de instrucciones escritas especificadas por un organismo
para analizar una muestra
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5. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Clasificación de los métodos analíticos
os métodos analíticos producen inf ormación químic
INFORMACION ANALITICA: Declaración relacionada con cualquier
propiedad química, física, o biológica denominada propiedad analítica,
analítica
producida en conexión con la información química del material
analizado
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6. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Clasificación de los métodos analíticos
P unto de vista histórico
métodos clásicos e instrumentales
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7. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Clasificación de los métodos analíticos
Métodos clásicos
Gravimetría
Volumetría
Métodos instrumentales
Espectroscópicos
Térmicos
Electrométricos
Separación
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8. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Elección de un método analítico
1. ¿Qué exactitud se requiere?
2. ¿Cuántas muestras se tiene?
3. ¿Cuál es el intervalo de concentración del analito?
4. ¿Qué componentes de la muestra podrían causar
interferencia?
5. ¿Cuáles son las propiedades físicas y químicas de la
matriz de la muestra?
6. ¿Cuántas muestras se analizarán?
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9. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Calibración de métodos instrumentales
• Comparación con estándares
• Calibración de un estándar externo
• Métodos de adición estándar
• Método del patrón interno
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10. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Conceptos básicos de
espectroscopía
1. La luz y el espectro electromagnético
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11. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
• Onda Electromagnética
• Radiación electromagnética
• Energía de radiación
• Espectro electromagnético
• Unidades
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12. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Onda electromagnética
E
M
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13. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Energía de la Radiación velocidad frecuencia
A
λ
Número de onda
h= = 6,6262 . 10 -34 joule . segundo ,
Longitud de onda
Energía es la constante de Planck.
asociada a
un fotón
E = hν E = hC
λ
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14. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
CARACTERÍSTICAS DE LAS ONDAS
nodo
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15. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Unidades :
-10
Amgstrom : Aº = 10 m
Nanómetro : nm = 10 - 9 m
µ m = 10 - 6 -4
Micrómetro : m = 10 cm
-1
Número de onda, ν: cm
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16. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Problemas
• Calcular la energía y la frecuencia de la luz con
la longitud de onda de 2.0 x 105 cm
• Cuál es la frecuencia de la luz verde con una
longitud de onda de 500 nm
17. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Espectro electromagnético
Longitud de Onda
Micro- Ondas de
Rayos γ Rayos X ondas radio
0.01-0.1Å 1-10Å 0.02-300cm 3-300m
Energía
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18. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Espectro electromagnético
Longitud de Onda
Vacio
ultravioleta Ultravioleta Visible Infrarrojo
10-2000Å 200-380nm 385-750nm 0.75-200µm
Energía
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19. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Espectro electromagnético
Infrarrojo Longitud de Onda
0.75-200µm
IRC : 0.75 – 2.5 µm (13333-4000 cm-1)
IRM : 2.5 – 50 µm (4000-200 cm-1)
IRL : 50 – 1000 µm (200-10 cm-1)
Energía
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 19
20. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Conceptos básicos de
espectroscopía
2. Interacción de la radiación con la materia
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 20
21. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Interacción de la radiación con la materia
Cuando un haz de luz incide sobre un medio puede ser transmitido
(refractado), reflejado, difundido (sobre una superficie rugosa o por
pequeñas partículas), absorbido o puede provocar la emisión de luz
(normalmente en una frecuencia distinta). El color y el brillo son algunas de
las sensaciones que resultan de estos fenómenos en el rango de
frecuencias del espectro visible, pero existe instrumentación para
estudiarlos en un amplio margen del espectro electromagnético
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22. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Interacción de la radiación con la materia
Refracción y reflexión
Cuando un haz luminoso llega a la
superficie que separa dos medios
distintos, parte del mismo es reflejado
hacia el medio de procedencia, y parte
refractado hacia el otro medio. Si la
superficie que separa ambos medios es
completamente plana y sin rugosidades,
los fenómenos tienen lugar siguiendo la
geometría prevista en las leyes de
Descartes
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23. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Interacción de la radiación con la materia
Difusión
Este proceso tiene lugar debido a la
presencia de partículas en suspensión en un
medio transparente (el caso del
humo de un cigarrillo, por ej), o por
vibraciones de las moléculas que forman el
propio medio, en cuyo caso la
intensidad de la radiación difundida depende
de las interacciones de estas moléculas
entre ellas, y por tanto el fenómeno suele ser
de mayor intensidad en gases que en sólidos
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24. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Interacción de la radiación con la materia
Absorción
La absorción de las ondas electromagnéticas requiere considerar que los
electrones ocupan orbitales con niveles discretos de energía, separados
entre ellos por cantidades discretas de energía.
Cuando un medio es alcanzado por una onda electromagnética formada por
radiaciones de diversas energías, alguna de ellas puede coincidir con la de
uno de los saltos energéticos posibles entre un nivel completamente
ocupado por electrones y uno vacío o parcialmente ocupado, entonces un
electrón es excitado al nivel energético superior y la energía de la frecuencia
correspondiente, absorbida
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 24
25. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Interacción de la radiación con la materia
Emisión
La emisión de luz por parte de un medio puede ocurrir si cierta energía es
absorbida por los electrones de los átomos del medio considerado, de modo
que algunos de éstos son promovidos a niveles superiores y dejan un hueco
en su posición original. En estas condiciones la configuración del átomo es
inestable y electrones de niveles energéticos superiores pasan a
ocupar el hueco, liberando parte de su energía en forma de radiación
electromagnética de la energía correspondiente al salto efectuado
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26. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Interacción de la radiación con la materia
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 26
27. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Clasificación básica de los métodos ópticos
Métodos espectrales Métodos no espectrales
Moleculares Atómicos Turbidimetria
Nefelometria
Refractometria
Polarimetria
Absorción UV-vis
IR Absorción atómica
Fluorescencia Emisión atómica
Fosforescencia Rayos X (A,E)
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 27
28. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Clasificación básica del los métodos ópticos en función
al tipo de interacción radiación- materia
Espectrofotometría UV-vis
Absorción de la
Espectrofotometría IR
Radiación
Espectrofotometría RX
Emisión atómica
Emisión de la
Fotometria de llama
Radiación
Fluorescencia
Refracción de la
Refractometría
Radiación
Rotación de la
Polarimetría
Radiación
Dispersión de la Turbidimetría
Radiación Nefelometría
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29. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Conceptos básicos de
espectroscopía
3. Origen de los espectros moleculares
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 29
30. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Origen de los espectros moleculares
Las moléculas de una sustancia poseen una energía relativa dada, esto es,
dada
pueden existir sólo en niveles de energía fijos. Ello se debe a una serie de
fijos
factores, de los cuales son de nuestro interés los siguientes:
1) Energía debida a los niveles electrónicos.
2) Energía debida a vibraciones entre los átomos que la componen.
3) Energía debida a rotación molecular.
Un espectro de absorción es el resultado de que un átomo o molécula se
excita a un nivel de energía superior mediante la absorción de un cuanto de
energía.
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 30
31. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Excitación :
E
E1
∆ E q +hν 2
-hν1
Eo
∆ E = E1 Eo
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32. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
transiciones energéticas
ν2
λ2
E2
energía
uv
visible
λ1
ν
E1
ν3
λ3
E3
ν4
λ4
E4
IRM
IR
hc
E=hν =
estado estado estado λ
electrónico vibracional rotacional
32
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D
33. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
transiciones energéticas
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 33
34. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Conceptos básicos de
espectroscopía
3. Clasificación de los métodos
espectroscópicos de análisis
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 34
35. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Métodos espectroscópicos de análisis
Radiación Efecto
Rayos X y cósmicos Ionización de moléculas
UV-visible Transiciones electrónicas entre los
OA y OM
Infrarrojo Deformación de los enlaces
químicos
microondas Rotaciones de los enlaces
químicos
radiofrecuencias Transiciones de spín electrónico o
nuclear en los átomos de la
molécula
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 35
36. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
TÉCNICA
ESPECTROSCÓPICA
INFORMACIÓN OBTENIDA
Estructura total de la molécula incluida la estereoquímica de la
Rayos X misma a partir de las posiciones relativas de los átomos.
Existencia de cromóforos y/o conjugación en la molécula a partir
Ultravioleta-Visible de las absorciones observadas.
Grupos funcionales a partir de las absorciones observadas.
Infrarrojo
Espectrometría de Fórmula molecular y subestructuras a partir de los iones
masas (*) observados.
Grupos funcionales, subestructuras, conectividades,
Resonancia magnética estereoquímica, etc. a partir de datos de desplazamiento químico,
nuclear áreas de los picos y constantes de acoplamiento observadas
(*) No es una técnica espectroscópica en el sentido que estamos viendo pues no existe irradiación electromagnética de la
sustancia y no se produce absorción de dicha radiación.
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 36
37. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Conceptos básicos de
espectroscopía
3. Leyes de la espectroscopía
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 37
38. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Espectroscopía basada en absorción
Leyes de la Fotometría
Primera Ley de Lambert :
Pt = k Po
Po Pt
h T = Pt / Po
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 38
39. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Espectroscopía basada en absorción
Leyes de la Fotometría
Segunda Ley de Lambert :
h = cte.
- k1h
Pt = Po e
Ley de Beer :
C = cte.
- K 2c
Pt = Po e
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 39
40. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Espectroscopía basada en absorción
Leyes de la Fotometría
Ley de Lambert - Beer:
Pt = Po e - K oc h
log Pt =
Kch
Po
A = log Po A=Kch
Pt
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 40
41. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Espectroscopía basada en absorción
potencia del haz
antes de
atravesar el
blanco
absortividad concentración
absorbancia
P0 molar de las
total medida a la
longitud de AT,λ = log = εhc especies
P absorbentes
onda λ
camino
óptico
potencia del haz
P luego de
= Transmitancia (T) A = -logT
P0 atravesar la
muestra
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 41
42. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Espectroscopía basada en absorción
Leyes de la Fotometría
Ley de Lambert - Beer: A= Kch
A= ach C en g/L h en cm
A= ech C en mol/L h en cm
1%
A= Ecm c h C en g/% h en cm
A = 2 - log (% T)
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 42
43. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Espectroscopía basada en absorción
Definiciones
Definiciones
a : absorbancia de una disolución de concentra-
absorbancia de una disolución de concentra-
ción gramo por litro en celda de un
ción gramo por litro en celda de un
centímetro
centímetro
e : absorbancia de una disolución de concentra-
absorbancia de una disolución de concentra-
ción mol por litro en celda de un
ción mol por litro en celda de un
centímetro
centímetro
1%
Ecm : absorbancia de una disolución de concentra-
absorbancia de una disolución de concentra-
ción gramo por 0.1 litro en celda de un
ción gramo por 0.1 litro en celda de un
centímetro
centímetro
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 43
44. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
La representación gráfica correspondiente a absorbancia y
transmitancia en un gradiente de concentraciones es la siguiente:
Concen
tración
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 44
45. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Espectroscopía basada en absorción
Propiedad aditiva de la absorbancia
La absorbancia total de una muestra a una longitud de onda determinada es la suma de
las absorbancias de cada uno de sus constituyentes a dicha longitud de onda.
1,6
1,4
1,2
1,0
0,8
A
0,6
0,4
0,2
0,0
0 200 400 600 800
longitud de onda (nm)
¡esto obliga a seleccionar muy bien la λdel analito!
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 45
46. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Espectroscopía basada en absorción
Absortividad molar
depende de:
• características del disolvente
• especie absorbente
• longitud de onda de trabajo
Problema
Una disolución de un analito de concentración 5.00 x 10-4M es
puesta en una celda de muestras la cual tiene una longitud de 1.00
cm. Cuando se mide a una longitud de 490 nm, la absorbancia de
la solución es 0.338. ¿Cuál es la absortividad molar del analito a
esta longitud de onda?
Solución:
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 46
47. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Problema
Las absorbancias de las disoluciones que contienen Cr como Cr2O72- en 1.0 M
de H2SO4se midieron a 440 nm en una celda de 1 cm. Se obtuvieron los
siguientes resultados:
Conc. de Cr, Abs.
μg/mL a 440 nm
10.00 0.034
25.00 0.085
50.00 0.168
75.00 0.252
100.00 0.335
200.00 0.669
Determine la absortividad del dicromato (Lg-1cm-1) y la absortividad molar en (L
mol-1 cm-1) a 440 nm
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 47
48. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Wavelength, nm Psolvent Psolution
Problema
Los datos siguientes se tomaron de un 350 0.002689 0.002560
espectrofotómetro de diodos en serie en un 375 0.006326 0.005995
experimento para medir el espectro del 400 0.016975 0.015143
complejo Co(II)-EDTA. La columna llamada 425 0.035517 0.031648
Psolución es la señal relativa que se obtiene 450 0.062425 0.024978
con una disolución de la muestra en la 475 0.095374 0.019073
celda después de la sustracción de la señal 500 0.140567 0.023275
oscura. La columna Psolvente es la señal de 525 0.188984 0.037448
referencia que se obtiene cuando sólo está 550 0.263103 0.088537
el solvente en la celda después de la 575 0.318361 0.200872
sustracción de la señal oscura. Determine 600 0.394600 0.278072
la transmitancia a cada longitud de onda y 625 0.477018 0.363525
650 0.564295 0.468281
la absorbancia en cada longitud de onda.
675 0.655066 0.611062
Grafique el espectro del compuesto
700 0.739180 0.704126
725 0.813694 0.777466
750 0.885979 0.863224
775 0.945083 0.921446
800 1.000000 0.977237
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 48
49. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Limitaciones de la ley de Lambert- Beer
De acuerdo a la ley de Lambert-Beer, una curva de calibración de absorbancia versus
la concentración del analito en una serie de soluciones estándar debe ser una recta,
con ordenada en el origen en O y una pendiente ab o εb. En muchos casos, sin
embargo, se encuentran curvas de calibración no-lineales.
Estas desviaciones de la linealidad están divididas en 3 categorías: Fundamentales,
químicas e instrumentales
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 49
50. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Limitaciones de la ley de Lambert- Beer
La mayor parte de las especies cumplen con la ley en un determinado
intervalo de concentraciones. Fuera de él, experimentan desviaciones
positivas o negativas. Esto se observa bien en el calibrado:
absorbancia
respuesta debida
a la autoabsorción
o a la luz escasa que
atraviesa la cubeta
respuesta del blanco,
interferencias o escasa
sensibilidad
concentración
Es preciso asegurar
que se está trabajando
en el intervalo lineal!!
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 50
51. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Limitaciones de la ley de Lambert- Beer
selección de la longitud de onda de trabajo
banda A
banda C
A A
banda A
banda B
banda C
banda B
λ concentración
Se debe de procurar medir las absorbancias en el entorno más próximo
a la λ max. de absorción en el espectro (se minimizan errores) y se logran
máximas sensibilidades.
Midiendo lejos de ese punto de máxima absorción:
pequeñas variaciones en la medida se traducen en grandes errores.
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 51
52. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Limitaciones de la ley de Lambert- Beer
Es conveniente ajustar el intervalo óptimo de transmitancias en las
que el error de concentración es mínimo. Es fácilmente demostrable
que calibrando concentraciones que supongan un 20-80% de transmitancia,
el error es mínimo.
pequeños ∆ C ocasionan
grandes ∆ %T
error
relativo pequeños ∆ %T ocasionan
grandes ∆ C
%T concentración
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 52
53. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Conceptos básicos de
espectroscopía
4. Componentes básicos de los
instrumentos espectroscópicos
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 53
54. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Componentes básicos de los instrumentos espectroscópicos
3
2 4
1
1. Fuente 6
2. Selector
3. Muestra
A 5
4. Detector
5. Transductor
6. Registro
λ
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 54
55. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Componentes básicos de los instrumentos espectroscópicos
Fuentes
UV : lámpara de cuarzo- hidrógeno
lámpara de cuarzo - deuterio
200 - 350 nm
VIS : filamento de tungsteno
350 - 750 nm
IR : emisor de Nerst
globar
filamento incandescente
arco de mercurio
fuentes láser
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 55
56. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Componentes básicos de los instrumentos espectroscópicos
Fuentes de radiación electromagnética
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 56
57. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Componentes básicos de los instrumentos espectroscópicos
Fuentes comunes de radiación electromagnética en espectroscopía
Fuentes de energía térmica
Las fuentes de energía térmica más comunes son llamas y plasmas. Las llamas
se originan por combustión de un combustible y un oxidante tales como
acetileno y aire, con lo cuál se alcanzan temperaturas entre 2000 y 3400 K. Los
plasmas, los cuáles están a altas temperaturas, son gases ionizados que
proveen temperaturas entre 6000 y 10000 K.
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 57
58. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Componentes básicos de los instrumentos espectroscópicos
Fuentes comunes de radiación electromagnética
Fuentes de energía química
Las reacciones exotérmicas pueden también servir como fuente de energía. En
quimioluminiscencia, el analito es elevado a un estado de alta energía por medio
de una reacción química, emitiendo radiaciones características cuando retorna
al estado de baja energía.
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 58
59. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Componentes básicos de los instrumentos espectroscópicos
3
2 4
1
1. Fuente 6
2. Selector
3. Muestra
A 5
4. Detector
5. Transductor
6. Registro
λ
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 59
60. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Componentes básicos de los instrumentos espectroscópicos
Selección de la longitud de onda
Un selector de longitud de onda
deja pasar una banda estrecha de
radiación caracterizada por una
longitud de onda nominal, un
da d s ne n
t I
ancho de banda efectivo y una
i
máxima potencia de radiación. El
ancho de banda efectivo se define
como el ancho de la banda a la
Long. de onda
Anchode
mitad de la máxima potencia de banda
Características espectrales de un sistema
radiación selector de longitud de onda
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 60
61. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Componentes básicos de los instrumentos espectroscópicos
Selección de la longitud de onda
Ancho de banda efectivo= 0.25 nm Ancho de banda efectivo= 2.0 nm
Ancho de banda efectivo= 1.0 nm Ancho de banda efectivo= 4.0 nm
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 61
62. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Componentes básicos de los instrumentos espectroscópicos
Selección de la longitud de onda
Para análisis cualitativo, la resolución es
generalmente más importante que la
máxima potencia de radiación; así,
pequeños anchos de banda efectivos
son deseables.
En análisis cuantitativo una alta
potencia de radiación es usualmente
deseable
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 62
63. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Componentes básicos de los instrumentos espectroscópicos
Selector : filtro, prisma o rejilla
rendija Rejilla
Filtro
Prisma de difracción
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 63
64. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Monocromadores
espejo espejo
colimador focalizador
con red de
difracción
λ2
λ1
rendija de rendija de
entrada elemento salida
dispersante
con prisma λ2
λ1
lente colimadora lente focalizadora
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65. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 65
66. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Componentes básicos de los instrumentos espectroscópicos
3
2 4
1
1. Fuente 6
2. Selector
3. Muestra
A 5
4. Detector
5. Transductor
6. Registro
λ
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67. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Componentes básicos de los instrumentos espectroscópicos
Area de la muestra : celdas
UV : cuarzo, sílice
VIS : vidrio, cuarzo, sílice
IR : cloruro de sodio, bromuro
de potasio, yoduro de cesio
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68. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Componentes básicos de los instrumentos espectroscópicos
Celda para gases en IR :
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69. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Componentes básicos de los instrumentos espectroscópicos
Celda desmontable para IR :
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70. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Componentes básicos de los instrumentos espectroscópicos
3
2 4
1
1. Fuente 6
2. Selector
3. Muestra
A 5
4. Detector
5. Transductor
6. Registro
λ
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71. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Componentes básicos de los instrumentos espectroscópicos
Detectores :
Al final la luz seleccionada tiene que ser detectada y cuantificada.
*Esto se consigue con el empleo de detectores cuyo cometido es convertir
la respuesta del instrumento en una señal medible.
*Dependiendo del tipo de luz con el que se trabaja existen distintos tipos
de detectores:
De fotones (fotoeléctricos)
celda fotovoltaica (VIS)
fototubo (UV-VIS)
fotodiodos de silicio
De calor (térmicos)
termopar
termocupla
neumático
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Componentes básicos de los instrumentos espectroscópicos
FOTOTUBOS Y FOTOMULTIPLICADORES
Están basados en el efecto fotoeléctrico, en el que la incidencia de un
haz fotónico sobre un metal es capaz de generar energía eléctrica
FOTOTUBO
colector
En el caso de los
fotomultiplicadores, la señal se
amplifica mediante el uso de FOTOMULTIPLICADOR
diodos en serie.
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73. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Componentes básicos de los instrumentos espectroscópicos
En la actualidad es el detector
espectrofotométrico mas utilizado
acoplado a un sistema cromatográfico
líquido
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Componentes básicos de los instrumentos espectroscópicos
Requisitos de los detectores
deben responder a un amplio rango de longitudes de onda
deben dar respuesta rápida
deben ser sensibles a bajos niveles de radiación
deben producir señal eléctrica fácilmente amplificable
deben tener bajo nivel de ruido
la señal debe ser proporcional a la potencia radiante
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75. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Componentes básicos de los instrumentos espectroscópicos
3
2 4
1
1. Fuente 6
2. Selector
3. Muestra
A 5
4. Detector
5. Transductor
6. Registro
λ
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76. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Componentes básicos de los instrumentos espectroscópicos
La señal eléctrica generada por el transductor es enviada a un procesador de
señal donde se muestra de la forma más conveniente para el analista. El
procesador de señal también puede ser usado para calibrar la respuesta del
detector, para amplificar la señal del detector, para eliminar el ruido por
filtración o por transformación matemática de la señal.
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77. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Componentes básicos de los instrumentos espectroscópicos
Procesador de señal y lectura
Es el último componente básico de instrumentación
Todo espectrofotómetro ha de disponer de:
1. Sistema de amplificación propia que produzca una señal medible
2. Un sistema procesador de la señal, que permita eliminar, promediar
datos, proporcionar salida de lectura, dirigir la salida de la señal..etc
3. Una salida de la señal: digital,registrador..etc
4. Tener cierta capacidad de procesar números /FTIR
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Limitaciones
instrumentales
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Limitaciones instrumentales
Especificaciones y parámetros óptimos de trabajo
Se denomina exactitud y reproducibilidad fotométrica a la exactitud de las
determinaciones de transmitancia o absorbancia y a la reproducibilidad de las mismas
respectivamente.
La exactitud y reproducibilidad de longitud de onda en general son sumamente
importantes en determinaciones cualitativas porque afectan la certeza del dato de la
longitud de onda del máximo o mínimo espectral y la posibilidad de su comparación con
otros espectros, particularmente si se trata de sustancias con máximos o mínimos
próximos
a) el ancho de banda espectral (que gobierna la resolución);
b) la luz espuria («stray light» o «luz dispersa»);
c) la relación señal a ruido;
d) la respuesta y energía.
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Limitaciones instrumentales
Ancho de banda
espectral
Cuanto más estrecho sea
este rango más cerca se
estaría, en principio, del
valor real,
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Limitaciones instrumentales
Luz espuria o parásita
En general, esta radiación «contaminante» no deseada, que se denomina
consecuentemente luz espuria («stray light», luz dispersa o luz falsa) es sólo
una pequeña cantidad respecto de la radiación del intervalo deseado o «luz
genuina», si el espectrofotómetro está en condiciones razonablemente buenas.
Por ello bajo condiciones normales, no muy severas, los errores debidos a la luz
espuria no son muy graves, pero hay situaciones en las que el error ocasionado
puede ser de consideración.
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Limitaciones instrumentales
Luz espuria
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Limitaciones instrumentales
Luz espuria o parásita
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 83
84. UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL
Limitaciones instrumentales
Luz espuria o parásita
Se aprecia la señal del detector en función
de la real longitud de onda (curva superior). Si
la muestra absorbe fuertemente en la zona de
longitudes de onda seleccionada, como se
representa en la segunda curva, al detector
llegará muy poca luz «genuina» y, por lo tanto,
una cantidad relativamente grande de luz
espuria, lo que se ilustra en la figura inferior. El
resultado naturalmente es una señal detectada
total mayor que la que correspondería, esto es,
error por defecto en absorbancias (y por tanto
en concentración). Supongamos que la
muestra ha absorbido 99% de la luz «genuina»,
o sea, pasa un 1% (absorbancia 2,0). Si la luz
espuria del espectrofotómetro en esa zona es
de 0,5%, al detector llega la suma de ambas,
1,5%, lo que significa 50% de error en
transmitancia, si bien sólo menos de un 18% en
términos de absorbancia o concentración.
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Editor's Notes
Para muchos fines, la radiación electromagnética se representa adecuadamente como un campo eléctrico y otro magnético que están en fase, con oscilaciones sinusoidales en ángulo recto de uno respecto a otro y respecto a la dirección de propagación. La luz se puede considerar como una onda. Para una onda que se mueve en el vacío, su velocidad C, su longitud de onda λ , y su frecuencia ν , están relacionadas de una manera sencilla por: C = λν en el vacío. Cuando pasa a través de cualquier material la velocidad es menor: υ = λν en general
Parámetros ondulatorios. En la figura se muestra la amplitud A de una onda sinusoidal como la longitud del vector eléctrico en el máximo de la onda. El tiempo, en segundos, necesario para el paso de sucesivos máximos o mínimos por un punto fijo del espacio se denomina el período p de la radiación. La frecuencia ν es el número de oscilaciones del campo por segundo cuadrado y es igual a 1/p. Otro parámetro e interés es la longitud de onda λ , que es la distancia lineal entre dos puntos equivalentes de ondas sucesivas (por ejemplo, máximos o mínimos) Cuando un átomo o molécula absorbe energía de la luz, absorbe únicamente ciertas longitudes de onda. Para otras longitudes de onda, la sustancia puede ser transparente. De manera similar, cuando un átomo o molécula emite luz, lo hace sólo lo hace a sus longitudes de onda características. A otras longitudes de onda no se produce emisión. En resumen, las longitudes de onda absorbidas y emitidas dependen de la identidad del compuesto. Estas longitudes de onda permanecen iguales pese a la cantidad de analito presente. Sin embargo, la cantidad de luz absorbida o emitida depende de la concentración del compuesto presente en el paso óptico (en casos sencillos).
Para que ocurra algún cambio, la energía hv debe ser de la intensidad adecuada, por lo cual las diferentes regiones del espectro electromagnético. Como bien sabemos, la molécula o átomo permanece muy poco tiempo en ese estado, tendiendo a regresar a su estado normal o fundamental de energía mediante procesos de relajación. Esto puede ser mediante una relajación no radiante, proceso que supone la pérdida de energía a través de una serie de pequeñas etapas en la que la energía de excitación se transforma en energía cinética al colisionar con otras moléculas, resultando un pequeño aumento en la temperatura del sistema. También la relajación se puede producir por emisión de radiación fluorescente ( ceden su exceso de energía en forma de fotones). Pero también puede haber descomposición de la especie de la molécula excitada dando nuevas especies. La excitación puede producirse por diversos métodos tales como el bombardeo de electrones u otras partículas elementales, la exposición a chispas de corriente alterna de potencial elevado, el incremento térmico en una arco o en una llama, o la absorción de radiación electromagnética. Las partículas elementales que están muy separadas entre sí, como en el estado gaseoso, se comportan como cuerpos independientes y, a menudo, producen radiación que contiene sólo unas pocas longitudes de onda específicas. Por tanto, el espectro se denomina un espectro discontinuo o de líneas. Por otro lado, un espectro continuo es aquel en el que todas las longitudes de onda están próximas dentro de un intervalo de apreciable. Este tipo de espectro resultan de la excitación de sólidos o líquidos, en los que los átomos están tan apiñados unos respecto a otros que son incapaces de tener un comportamiento independiente o molécula complicadas que tienen muchos estados de energía estrechamente relacionados. La radiación continua que se produce cuando los sólidos se calientan hasta la incandescencia, es característica más de la temperatura de la superficie que de la naturaleza del material del que está compuesta dicha superficie. La radiación de este tipo se denomina radiación de cuerpo negro, cuyo comportamiento se explica mediante 1) la radiación presenta un máximo de emisión a una longitud de onda que varía inversamente con la temperatura absoluta, 2) la energía total emitida por un cuerpo negro por unidad de tiempo y de área, varía con la cuarta potencia de la temperatura absoluta, y 3) la potencia de emisión a una temperatura dada varía inversamente con la quinta potencia de la longitud de onda. Al aumentar la temperatura, los picos de energía se desplazan a longitudes de onda más cortas. Es evidente que se necesitan temperaturas muy altas para que una fuente térmicamente excitada emita como radiación ultravioleta una fracción sustancial de su energía.
Pérdidas. Por reflexión como resultado de la diferencia entre los índices de refracción de las interfases, diferencias de temperatura, partículas en suspensión, deshomogeneidades en el medio. Pero la principal razón de la disminución de energía es la absorción total o parcial por parte de las moléculas en solución. Esta ley no tiene excepciones y si cumple tanto para radiaciones poli como monocromáticas.
Supuestos: la radiación debe ser monocromática, el espesor es limitado, la concentración es limitada, la radiación incide en ángulo recto sobre las superficies claras, pulidas, uniformes y paralelas de la celda de absorción. K1 depende de landa, de la concentración, de la naturaleza de la muestra y de la naturaleza del solvente. K2 depende de landa, del espesor de la celda, de la naturaleza de la muestra y de la naturaleza del solvente.
Ko depende de landa, de la concentración, del espesor de la celda, de la naturaleza de la muestra y de la naturaleza del solvente.
Epsilón > E 1% 1cm > absortividad > absorbancia Unidades: cada constante tiene sus unidades pero no se acostumbra a usarlas.
Requisitos de una fuente: debe generar un espectro continúo dentro de la región de trabajo, suficientemente intensa y estable (la potencia radiante de una fuente varía de manera exponencial con el potencial de la fuente de alimentación eléctrica. Este problema se elimina en los equipos de doble haz. Permite obtener un espectro continuo en la región de interés (UV, VIS, IR). La instrumentación empleada para el IR tiene ciertas características especiales por lo cual se tratará independientemente. La señal producida debe ser estable. Fuentes para el ultravioleta : Las más empleadas son las lámparas de hidrógeno o de deuterio, las cuales son excitadas a baja presión, produciéndose un espectro continuo entre 180 y 380 nm. Cuando se precisa una fuente más intensa son adecuadas las lámparas de arco llenas de un gas, argón, xenón o mercurio, a alta presión. La lámpara de arco de xenón produce un espectro continuo entre 250 y 600 nm, al pasar una corriente a través de una atmósfera de xenón. Fuentes para el visible : La más empleada es la lámpara de filamento de tungsteno la cual por calentamiento adecuado emite un espectro continuo entre 350 y 750 nm. Las fuentes que emiten unas pocas líneas discretas se usan ampliamente en absorción atómica y en los métodos fluorescentes (vapores de mercurio, de sodio, de cátodo hueco) Fuentes para el IR. Las fuentes para el IR consisten en un sólido inerte que se calienta eléctricamente a una temperatura comprendida entre 1500 y 22000 °C. Como resultado se obtiene una radiación continúa que se aproxima a la del cuerpo negro. El emisor de Nerst está constituido por óxidos de tierras raras, y tiene forma cilíndrica con un diámetro de 1 a 2mm y una longitud de unos 20 mm. Los extremos del cilindro están unidos a unos conductores de platino que permiten el paso de electricidad lo que permite alcanzar temperaturas comprendidas entre 1200 y 2200 °K. La lámpara de Nerst tiene un coeficiente de resistencia muy negativo respecto de la temperatura por lo cual debe calentarse externamente hasta el rojo oscuro para que la corriente sea suficiente como para mantener la temperatura deseada. La fuente globar es una varilla de carburo de silicio que por lo general tiene unos 50 mm de longitud y 6 mm de diámetro. Se calienta también eléctricamente a 1300-1500 °K y tiene la ventaja de poseer un coeficiente de resistencia positivo. Las energías espectrales del globar y de del emisor de Nerst sson semejantes, excepto en la región inferior a 5 micrométros, donde el globar se distingue por tener una mayor energía. La fuente de filamento incandescente es algo menos intensa aunque de mayor vida útil. Consiste en una espiral muy apretada de alambre de nicromo que se calienta por le paso de una corriente eléctrica. Para la región espectral del IRL (>50 micrométros) ninguna de las anteriores fuentes térmicas proporcionan suficiente energía para una detección adecuada. En este caso se utiliza una fuente de arco de mercurio de alta presión. Consiste en un tubo de cuarzo que contiene vapor de mercurio a una presión mayor de una atmósfera. El paso de electricidad de a través del vapor origina una fuente de plasma que proporciona una radiación continúa en la región del IRL. Dentro de las fuentes láser tal vez la de dióxido de carbono es la más usada para determinar sustancias absorbentes en disoluciones acuosas. Este láser sintonizable produce una banda de radiación en el intervalo de 900 a 1100 cm-1 y está constituido por unas 100 líneas discretas y poco espaciadas. La fuente es útil para la determinación de algunas especies de gran interés como el amoniaco, butadieno, benceno, etanol, dióxido de nitrógeno y tricloroetileno.
Un selector ideal tiene una máxima potencia de radiación y un ancho de banda efectivo estrecho. Una máxima potencia de radiación es deseable porque permite el paso de una mayor cantidad de fotones a través del selector, dando una señal fuerte con menos ruido de fondo. Un ancho de banda efectivo estrecho proporciona una alta resolución, con rasgos espectrales separados por más de dos veces el ancho de banda efectivo. Generalmente estas dos características están contrapuestas. Las condiciones que favorecen una alta potencia de radiación usualmente proporcionan una menor resolución. La disminución el ancho de banda efectivo mejora la resolución, pero con el costo de un incremento de ruido.
Filtros : La selección de la longitud de onda, en algunos casos se hace con filtros los cuales pueden ser filtros de absorción o filtros de interferencia. Con cualquiera de los dos se logra seleccionar un haz de radiación dentro de un intervalo estrecho de longitud de onda, pero desde luego el haz que se aproxima más a la monocromaticidad es el que se selecciona con un buen sistema monocromador. Los filtros se usan para seleccionar bandas en la región visible y funcionan absorbiendo ciertas zonas del espectro. El tipo más usual es un vidrio coloreado o una suspensión de un colorante en gelatina que se coloca entre dos placas de vidrio. Sus características de funcionamiento son bastante inferiores a las de los filtros de interferencia (anchos de banda mayores y menor fracción de luz transmitida) pero son perfectamente útiles para muchas aplicaciones. Los instrumentos que usan filtros de absorción para seleccionar la radiación se denominan fotocolorímetros. Los filtros de interferencia permiten seleccionar la radiación en las regiones UV, VIS e IR.
Usualmente son de forma cúbica pero también se usan celdas cilíndricas . La ley de Lambert-Beer se cumple más exactamente cuando se usan celdas cúbicas. Si se emplean las cilíndricas deben ser colocadas de modo que siempre se use el mismo eje óptico. Las celdas empleadas para el UV y el VIS generalmente tienen 1 cm de espesor pero pueden utilizarse de mayor o menor espesor. Los materiales ópticos empleados para su fabricación deben ser transparentes a la radiación a emplear (cuarzo para el UV y vidrio para el VIS). Deben mantenerse escrupulosamente limpias y evitarse que se raye la superficie. El cuarzo y la sílice fundida deben usarse por debajo de 350 nm. Estas dos sustancias son transparentes en la región visible y también en la región infrarroja hasta 3 Los vidrios de silicato pueden usarse en la región entre 350 y 2000 nm. Los recipientes de plástico también se utilizan en la región visible. La sustancia más comúnmente empleada para el IR es el cloruro de sodio cristalino, al igual que Kbr, yoduro de cesio y bromuro de tantalio y tantalio.
Los espectros UV y VIS se obtienen en la mayoría de los casos a partir de disoluciones diluídas del analito. Las medidas de absorbancia en el intervalo óptimo se obtienen ajustando de forma adecuada la concentración, o bien el espesor de la cubeta. Lamentablemente esta práctica no es aplicable por lo general a la espectroscopía IR, debido a que no existen buenos disolventes que sean transparentes en toda la región espectral. Entre los disolventes comunes para IR: disulfuro de carbono, tetracloruro de carbono, tetracloroetileno, cloroformo, ciclohexano, dioxano, benceno. Es evidente que no existe un solo disolvente que sea transparente en toda la región del IRM. El agua y los alcoholes se utilizan rara vez, no sólo porque absorben intensamente, sino porque también atacan a los haluros de metal alcalino, que son los materiales más comunes que se utilizan en las ventanas de las cubetas. Por estas razones, es necesario secar los disolventes indicados antes de utilizarlos. Debido a la tendencia de los disolventes a absorber, las cubetas para el IR suelen ser mucho más estrechas (0.1 a 1 mm) que las empleadas en las regiones UV y VIS. Los caminos ópticos en el IR requieren por lo común, concentraciones de muestra de 0.1 a un 10%. Con frecuencia, las celdas son desmontables, con espaciadores de teflón que permiten variar la longitud de camino óptico. Líquidos puros. Cuando la cantidad de muestra es pequeña o cuando no se dispone del disolvente apropiado, es habitual obtener los espectros del líquido puro. Para ello, una gota del líquido se coloca entre dos ventanas para IR que se mantienen unidas por capilaridad. El espesor de la película formada es de 0.01mm o menos y el espectro es satisfatorio, reproducible y muy satisfactorio para investigaciones cualitativas. Sólidos. Los espectros de sólidos que no pueden disolverse directamente en un solvente para IR, se obtienen con frecuencia dispersando el analito en una matriz líquida o sólida y analizando la mezcla resultante. Estas técnica requieren que el tamaño de partícula del sólido suspendido sea menor que la longitud de onda del haz infrarrojo porque de lo contrario se pierde una gran cantidad de radiación por dispersión. Uno de los métodos utilizados para preparar la mezcla a analizar consiste en triturar de 2 a 5 mg de muestra finamente pulverizada ( > 2 μ m) en presencia de una o dos gotas de un aceite pesado de un hidrocarburo (Nujol). Si es probable que las bandas del hidrocarburo interfieran, se puede usar Fluorolube, un polímero halogenado. La mezcla resultante se examina luego entre dos placas planas de sal en forma de una delgada película. En una segunda técnica, se parte de 1 mg de la muestra finamente triturada que se mezcla íntimamente con unos 100 mg de KBr desecado. La mezcla se comprime luego en un troquel especial a una presión de 700 a 1000 kg/cm2, para obtener un disco transparente.
Consiste de una serie de fotodiodos posicionados sobre un cristal de silicio. Cada uno de los diodos tiene una capacitor específico, los cuales tienen un determinado nivel de carga. Cuando los fotones penetran el silicio, se generan cargas eléctricas transportadoras libres que descargan el capacitor. El capacitor es recargado a intervalos regulares de tiempo. La cantidad de carga necesaria para recargar el capacitor representa el número de fotones que son detectados por cada diodo, los cuales son proporcionales a la luz incidente. Midiendo la variación de la intensidad de la luz sobre el rango entero de longitudes de onda, podemos obtener el espectro de absorción de las sustancia. El número de diodos varía según el instrumento pero situarse en unos 300. La luz policromática que viene de la fuente pasa a través del área de la muestra y se focaliza sobre la entrada del slit de un policromador. El policromador dispersa la luz sobre el arreglo de diodos, en el cual cada diodo está destinado a medir una banda estrecha del espectro. El ancho de banda de la luz detectada por un diodo está relacionado con el tamaño del slit de entrada del policromados y el tamaño físico del diodo. Cada diodo es efectivamente equivalente al slit de salida de un monocromador.