Existen diferentes técnicas de análisis para la determinación y caracterización de materiales, compuestos o elementos. Algunas son impurezas presentes en muestras de distinta procedencia. Desde el punto de vista de la Física, muchas impurezas determinan propiedades de los materiales.Con ese objetivo queremos hacer un repaso rápido de las técnicas posibles de uso en Panamá o desde Panamá.

Técnicas de análisis Técnicas de análisis elementalelemental

Este tipo de técnicas se fundamentan en la excitación de los niveles atómicos de energía del elemento por medio de una fuente de radiación electromagnética adecuada con el fin de provocar un cambio en el estado energético de los átomos que constituyen la impureza, y si es posible sin excitar los átomos de la matriz.

Emisión atómicaEmisión atómicaAbsorción Atómica Absorción Atómica Emisión de plasma acoplada Emisión de plasma acoplada inductivamente ICPinductivamente ICP

En la técnica de Absorción Atómica, para el físico, un punto importante es la atención que se debe prestar en la preparación de la muestra. Hay que respetar algunas reglas orientadorasSe debe buscar un mecanismo previo que genere una idea del tipo de impureza y del orden de magnitud de las impurezas (bibliografía, hábitos de la muestra, rastreo rápido por otras técnicas, etc.)

Tener o preparar buenos patrones: Calidad analítica. Realizar una digestión eficiente. Sugerimos que esa digestión ácida, en general, se haga con microndas.Decidir si se usan los patrones internos o los patrones externos.

Patrones: se preparan aliquotas con valores que estén en el rango esperado. Por ejemplo, si se espera alrededor de 3 ppm, se preparan muestras patrones con 1,0 ppm; 2,0 ppm; 4,0 ppm; 5,0 ppm o con mayor precisión. En general viene en recipientes con 1 000 g/mL de concentración. Se hace por dilución con micropipetas de precisión. Si se usan patrones internos se debe garantizar la homogeneidad en la penetración de los patrones en la dilución

http://www.ancap.com.uy/docs_concursos/ARCHIVOS/LLAMADOS%20FINALIZADOS/REF%2022_2011%20TECNICO%20LABORATORIO%20LUBRICANTES/MATERIAL%20DE%20ESTUDIO/ESPECTROMETRIA.PDF

Para ICP ver http://www.xtec.cat/~gjimene2/ llicencia/students/bscw.gmd.de_bscw_bscw.cgi_d32817119-3_______ICP_final.html

http://es.wikipedia.org/wiki/Detector_de_emisi%C3%B3n_at%C3%B3mica

Estas técnicas son reconocidas como capaces de detectar y determinar cuantitativamente la mayoría de los elementos del Sistema Periódico. Se emplean en el análisis de aguas, análisis de suelos, en Bioquímica, Toxicología, Medicina, industria farmacéutica, industria alimenticia, industria petroquímica, etc.

Equipo RequeridoEquipo Requerido

Uno de los equipos más comunes es el Perkin-Elmer que tiene la posibilidad de trabajar bajo las modalidades de (a) llama (aire/acetileno y óxido nitroso/acetileno), (b) horno de Grafito con inyector automático de muestras, (c) generador de Hidruros

Concentraciones promedio de los elementos Na, K, Mg, Be, Ca y Fe en PM10 en la estación RN 50 durante los meses de Marzo y Noviembre de 2005 y 2006.

ALGUNOS RESULTADOS

Concentraciones promedio de los elementos Ni, Cu, Zn, Pb, Mo, Sb, As y Cd en PM10 en la estación RN 50 durante los meses de Marzo y Noviembre de 2005 y 2006.

Na K C a Mg Be F e Ni C u Zn P b S b As C d

0

500

1000

1500

2000

2500

Arnhem

Anaheim

Birmingham

C oimbra

Wageningen

Azusa

E dison

P anamá 2005

Cuadro comparativo de la concentración de elementos específicos en el material particulado en diferentes localidades de Europa, Asia y Estados Unidos (Harrison & Yin, 2000) y los resultados promediados anuales en Panamá

Espectrofotometría InfrarrojaEspectrofotometría Infrarroja

http://es.wikipedia.org/wiki/Espectroscopia_infrarroja

Espectrofotómetro de doble Espectrofotómetro de doble hazhazCubetas para líquidosCubetas para líquidosCubetas para gases Cubetas para gases Kit para la preparación de Kit para la preparación de muestras sólidasmuestras sólidas

Permite identificar átomos o grupos de átomos que emiten en el infrarrojo

La porción infrarroja del espectro electromagnético se divide en tres regiones; el infrarrojo cercano, medio y lejano, así nombrados por su relación con el espectro visible. El infrarrojo lejano (aproximadamente 400-10 cm-1) se encuentra adyacente a la región de microondas, posee una baja energía y puede ser usado en espectroscopia rotacional. El infrarrojo medio (aproximadamente 4 000-400 cm-1) puede ser usado para estudiar las vibraciones fundamentales y la estructura rotacional–vibracional, mientras que el infrarrojo cercano (14 000 - 4 000 cm-1) puede excitar sobretonos o vibraciones armónicas.

La espectroscopia infrarroja se basa en el hecho de que las moléculas tienen frecuencias a las cuales rotan y vibran, es decir, los movimientos de rotación y vibración moleculares tienen niveles de energía discretos (modos normales vibracionales). Las frecuencias resonantes o frecuencias vibracionales son determinados por la forma de las superficies de energía potencial molecular, las masas de los átomos y, eventualmente por el acoplamiento de vibración asociado.

Ejemplos de espectros infrarrojos

SIN COCER

RESULTADOS PARA LA CLORITA

NUMERO DE ONDA

Espectrofotometría Visible y Espectrofotometría Visible y UltravioletaUltravioleta

El principio de la espectroscopia ultravioleta-visible involucra la absorción de radiación ultravioleta – visible por una molécula, causando la promoción de un electrón de un estado basal a un estado excitado, liberándose el exceso de energía en forma de calor. La longitud de onda ( λ) comprende entre 190 y 800 nm.La luz visible o UV es absorbida por los electrones de valencia, éstos son promovidos a estados excitados (de energía mayor). Al absorber radiación electromagnética de una frecuencia correcta, ocurre una transición desde uno de estos orbitales a un orbital vacío. Las diferencias entre energías varían entre los diversos orbitales. Algunos enlaces, como los dobles, provocan coloración en las moléculas ya que absorben energía en el visible así como en el UV, como es el caso del β-caroteno.

http://es.wikipedia.org/wiki/Espectroscopia_ultravioleta-visible

ESPECTROSCOPIA DE ESPECTROSCOPIA DE

FLUORESCENCIA DE RAYOS XFLUORESCENCIA DE RAYOS X La Espectroscopia de Fluorescencia de Rayos X es la técnica empleada, normalmente, cuando se quiere conocer con rapidez de la composición elemental exacta de una sustancia, pues permite la detección de casi todos los elementos del sistema periódico en un amplio rango de concentraciones [desde partes por millón (ppm) hasta el 100%].

Podemos decir que se basa en la emisión de fotones RX, que provienen del siguiente efecto: Los rayos X fabricados por un tubo de RX y enviados sobre la muestra arrancan electrones de las capas profundas de los elementos. La radiación es específica para cada tipo de elemento, lo que permite realizar análisis cualitativos y cuantitativos, estos últimos se pueden hacer cuando se dispone de adecuados patrones de calibración. Sobre todo si se puede insertar el patrón en la muestra.

Mediante esta técnica es posible determinar todos los elementos del Sistema Periódico, desde el flúor hasta el uranio, en muestras sólidas, en polvos y en líquidos. Los detectores son de semiconductores Li-Ge o Ge Hp. Todos ellos deben estar a bajas temperaturas al ser usados, lo que encarece la experiencia pues el nitrógeno líquido es caro en Panamá.

AplicacionesAplicaciones

La Fluorescencia de Rayos X se aplica al estudio de aleaciones, minerales, rocas, catalizadores, recubrimientos (pinturas, barnices, esmaltes). También se puede utilizar para la determinación de elementos traza en productos petrolíferos, conservas alimenticias, residuos industriales y urbanos, etc.

Otras tOtras técnicas de análisisécnicas de análisis

Hay técnicas de análisis que se caracterizan por informar acerca de microestructuras.

TERMOLUMINISCENCIA

Consiste en un horno en el cual se coloca la muestra que es calentada y emite fotones en el visible que son captados por un tubo fotomultiplicador con filtro. El filtro tiene una longitud de onda efectiva en el rango de estudio. El tubo fotomultiplicador se encarga de captar la luminiscencia emitida por la muestra en la región correspondiente del espectro visible. Posee, además, una bomba de vacío primario y sistema de flujo de gas de purga y de enfriamiento. Se utiliza argón a un flujo de dos litros por minuto. El horno sube hasta 500 °C y la tasa de calentamiento varía en °C/s. Para leer la muestra se hace vacío primario hasta una presión de 50 torr y se calienta en atmósfera de argón ultrapuro.

ESPECTROS POR TERMOLUMINISCENCIA

MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE BARRIDOBARRIDO

Esta microscopía electrónica de barrido es una de las técnicas más versátiles para la visualización y el análisis de las características microestructurales de muestras sólidas, debido principalmente, a su elevada resolución (alrededor de 2,0 nm) y a su gran profundidad de campo, lo que permite una visualización tridimensional..

Para la misma se utilizan equipos provistos Para la misma se utilizan equipos provistos de una sonda de micro-análisis de energías de una sonda de micro-análisis de energías dispersivas de rayos X, lo que permite la dispersivas de rayos X, lo que permite la identificación tanto cualitativa como identificación tanto cualitativa como cuantitativa (puntual, lineal o superficial) cuantitativa (puntual, lineal o superficial) de los elementos químicos de la muestra de los elementos químicos de la muestra con número atómico mayor que 9. con número atómico mayor que 9.

La técnica de microscopía electrónica de La técnica de microscopía electrónica de barrido resulta una técnica de interés en barrido resulta una técnica de interés en campos tales como medicina, biología, campos tales como medicina, biología, ciencia de materiales, metalurgia, ciencia de materiales, metalurgia, arqueología y otros más.arqueología y otros más.

MICROSCOPÍA ELECTRÓNICA DE TRASMISIÓN

Inicialmente la muestra es cortada (tronzadora o sierra automática), en forma de una pequeña laminilla de 5,0 mm de diámetro y unas 300 m de espesor. Posteriomente se coloca en una cortadora ultrasónica para obtener discos de 3,0 mm de diámetro externo. Como se debe obtener un espesor ultrafino de la muestra entre 10 y 15 m, se utilizará un sistema de lijado. Este consiste en un doble cilindro de acero inoxidable uno dentro del otro que desliza bien ajustado. El cilindro interno tiene asociado un tornillo micrométrico para llevar el control del espesor de la muestra. Esta se pega con un polímero sobre la superficie del cilindro interno y se determina su espesor con el tornillo micrométrico.

Con la muestra adherida al juego de los dos cilindros, se lija sobre un papel lija de borón. Una vez alcanzado la mitad del espesor se invierte el disco para lijar la otra cara. Cuando se obtiene alrededor de 15 m se quita la muestra y se verifica el espesor con ayuda de un microscopio óptico. Se enfoca primeramente la superficie superior de la muestra, luego se enfoca la superficie inferior de ésta y se mide el desplazamiento del lente objetivo entre estas dos posiciones de enfoque, este desplazamiento representa el espesor de la muestra. Conocer el espesor inicial permite calcular el tiempo que debe ponerse la muestra en el aparato de bombardeo con flujo iónico para adelgazar la muestra hasta espesores inferiores a 1,0 m. Si no se obtiene el espesor deseado de cerca de 15 m, la muestra debe ser cuidadosamente lijada de nuevo con el abrasivo hasta lograr obtenerlo.

A partir de espesores de 100 m la muestra no debe ser manipulada directamente con pinzas pues es muy frágil. Esto se hace utilizando una hipodérmica a la cual se le adhiere un tubo de caucho. Para transportar la muestra se hace una ligera succión sobre la delgada laminilla finalmente obtenida, de tal manera que ésta se pegue a la jeringuilla. Esto permite trasladar la muestra y pegarla con un polímero sobre un anillo de cobre de diámetro externo de 3,0 mm e interno de 1,0 mm. El pegamento se deja secar por dos horas a la temperatura del plato caliente que está aproximadamente entre 280 y 380 ºC.

Posteriormente la muestra se coloca en un sistema de bombardeo iónico (en nuestro caso fue de iones de argón) hasta obtener una cuña de 15,0 º sobre el diámetro central de 1,0 mm de la muestra. En general, para muestras de cuarzo, se necesita bombardear cerca de una hora por cada micra de espesor que se deba adelgazar.

Luego se cubre la muestra con una capa conductora de carbón. En MET se hace incidir un haz homogéneo y continuo de electrones de un máximo de 0,50 m de radio sobre el material en estudio. El microscopio permite obtener haces de hasta 300 keV y la longitud de cámara del aparato era de 0,864 cm. Los electrones del haz incidente que logran atravesar la muestra, esto es los electrones transmitidos y difractados, permiten obtener información sobre la estructura interna del material. Si se trata de un sólido cristalino los electrones se difractarán, por lo cual el microscopio puede ser operado de tal manera que se produzca, o bien un patrón de difracción o bien una imagen del área iluminada por los materiales. Adicionalmente, los rayos X característicos, debido a las transiciones de los electrones que han sido excitados por el haz primario, permite realizar un análisis químico elemental por fluorescencia de rayos X.

MUESTRAS VISTAS POREL MET

SE OBSERVAN BURBUJASMACLAS

Análisis Térmico DiferencialEn el Análisis Térmico Diferencial (DTA) se mide la diferencia de temperatura entre la muestra y un material de referencia (térmica, física y químicamente inerte) en función del tiempo o de la temperatura cuando dicha muestra se somete a un programa de temperatura en una atmósfera controlada.Es una técnica cualitativa que indica la temperatura a la cual tiene lugar el cambio energético en estudio y si el proceso es endotérmico o exotérmico. Sin embargo, con un adecuado calibrado es posible convertirla en semicuantitativa y obtener información del calor involucrado en el proceso.

La muestra se calienta según un protocolo de calentamiento que se utiliza para llevar la muestra desde la temperatura ambiente (25 ºC) hasta 650 ºC a una tasa (que se escoge) de 10 ºC/min.

Termograma ΔT vs T de muestras decuarzo natural en grano superior a 8 μm.

Termograma Δ T vs T de muestras decuarzo natural en grano entero

ESPECTROMETRÍA DE MASASESPECTROMETRÍA DE MASAS

DescripciónDescripción

La Espectrometría de Masas es una La Espectrometría de Masas es una técnica analítica de alta sensibilidad técnica analítica de alta sensibilidad que permite determinar la masa que permite determinar la masa molecular de un compuesto, así como molecular de un compuesto, así como la de los diversos fragmentos que la de los diversos fragmentos que resultan de la rotura controlada del resultan de la rotura controlada del mismo (mediante ionización), dando mismo (mediante ionización), dando éstos una información valiosa sobre la éstos una información valiosa sobre la estructura de la molécula. Proporciona estructura de la molécula. Proporciona también información cuantitativa del también información cuantitativa del compuesto.compuesto.

AplicacionesAplicacionesAlgunas de las aplicaciones de la espectrometría de masas son la determinación de compuestos volátiles en alimentos, análisis de contaminates, metabolitos, etc. De especial interés resulta la aplicación de la espectrometría de masas en el control de dopaje.

Equipo RequeridoEquipo RequeridoSe usa un equipo que incorpore un Se usa un equipo que incorpore un cromatógrafo de gases, Dentro de este tipo cromatógrafo de gases, Dentro de este tipo de dispositivos, la ionización se puede de dispositivos, la ionización se puede lograr mediante impacto electrónico o por lograr mediante impacto electrónico o por ionización química y son posibles 3 ionización química y son posibles 3 modalidades de introducción de muestra, modalidades de introducción de muestra, una por inyección directa (DIP) para una por inyección directa (DIP) para muestras puras sólidas o líquidas de muestras puras sólidas o líquidas de limitada volatilidad, otra por inyección a limitada volatilidad, otra por inyección a través del cromatógrafo de gases para través del cromatógrafo de gases para muestras gaseosas o muestras líquidas muestras gaseosas o muestras líquidas volátiles y otra para muestras muy diluidas.volátiles y otra para muestras muy diluidas.

EQUIPO DEL LABORATORIO DE HIDROLOGÍA ISOTÓPICA DEL OIEA EN VIENA

Isótopos estables del aguaLos contenidos de los isótopos estables pesados de oxígeno (18O) y deuterio son utilizados como trazadores del origen de las aguas subterráneas dado que sus contenidos se consideran conservativos una vez que el agua ha entrado en el acuífero, es decir, sus contenidos no se ven afectados por las interacciones del agua con la matriz del acuífero.

La relación entre las concentraciones de los isótopos pesados y las especies más abundantes se expresa como desviación en tanto por mil (‰) respecto a un patrón (V-SMOW) que representa el valor medio de dicha relación en el agua de mar. Los contenidos isotópicos de la precipitación (como principal fuente de recarga de los acuíferos) están condicionados por diversos factores climáticos y geográficos (temperatura, grado de condensación de la mas a nubosa, altitud, latitud, etc.).

La temperatura es el principal factor que controla, en última instancia, los valores absolutos observados en la composición isotópica de la precipitación. Los resultados se dan con respecto al patrón internacional del OIEA

‰ = (R(muestra) – R(SMOW))/R(SMOW).

Si es positivo la muestra tiene una concentración superior al SMOW.El fraccionamiento isotópico principal se debe a la diferencia de la presión de vapor de las diferentes especies, la que a su vez determina la rapidez de evaporación o de condensación del agua. Esta relación se expresa en

r = R(líquida)/R(vapor).

Su distribución en la precipitación está condicionada por la latitud, proximidad al mar y distancia a fuentes artificiales o zonas de ensayos termonucleares. Estos factores, junto a su desintegración radioactiva, permiten utilizar los contenidos de tritio como indicadores de la presencia de aguas recientes en los acuíferos y determinar, bajo ciertas condiciones, zonas de recarga preferente. La concentración de tritio se expresa en Unidades de Tritio (UT) (1 UT = 1 átomo de tritio en 1 018 átomos de 1H).Se mide con celdas de tritio que concentra el tritio y se mide la radiactividad con centelleo líquido.

Difracción de R-X

Los rayos X interactúan con los electrones que rodean los átomos por ser su longitud de onda del mismo orden de magnitud que el radio atómico. El haz de rayos X emergente tras esta interacción contiene información sobre la posición y tipo de átomos encontrados en su camino. En un cristal, donde la disposición de los átomos o moléculas se repite periódicamente, los haces de rayos X dispersados elásticamente por los átomos en ciertas direcciones resultan amplificados gracias al fenómeno de interferencia constructiva, dando lugar a un patrón de difracción. Los rayos X difractados son interceptados por detectores y su intensidad y posición analizadas por medios matemáticos para obtener una representación de las moléculas del material estudiado a escala atómica.http://es.wikipedia.org/wiki/Cristalograf%C3%ADa_de_rayos_X

Entre las técnicas semiestructurales se encuentra la Espectroscopía Mossbauer. Esta técnica es muy interesante en la medida que permite probar una parte de una gran teoría física, la Física Cuántica, en lo que concierne a las desigualdades de Heisenberg. Su nombre se debe a Rudolph Mössbauer quien pudo observar resonancias en iridio en estado sólido, lo que disparó la pregunta sobre por qué era posible observar resonancia de rayos gamma en los sólidos, pero no en los gases. Mössbauer propuso que, para el caso de átomos que se encuentran contenidos dentro de un sólido, bajo ciertas circunstancias una fracción de los eventos nucleares podían tener lugar sin que se produjera un retroceso del núcleo.http://es.wikipedia.org/wiki/Efecto_M%C3%B6%C3%9Fbauer

Muy estrecho

Muy ancho

sobreposición

sobreposición

La absorción resonante es ahogada en el ruido

La absorción resonante es observada solo si la emisión y la absorción se superponen lo suficiente y no es el caso si

It was only in 1951, when Moon [3] at Birminghamrealized the first observation of nuclear resonancefluorescence, by placing a source of 411 keVγ-radiation, which is emitted in the decay of 198Hg to198Au, on the tip of an ultracentrifuge. Applying theenormous speed of 670 m/s to the source, he usedthe linear Doppler effect to overcome the energy deficitbetween source and absorber.En 1951, Moon descubrió la primera fluorescencia nuclear

resonante con una fuente radiactiva de 198Hg que decaia en

198Au con un fotón de 411 keV en una ultracentrífuga.

Debido a enorme rapidez de 670 m/s de la fuente, el efecto Doppler suministró el deficit de energía entre la fuente y el absorbente.

P.B. Moon, Proc. Phys. Soc. 64 (1951) 76.

Otro método fue introducido por el noruego

Malmfors, quien ensayó con éxito un método

térmico para observar la fluorescencia nuclear

resonante, aumentando la sobreposición entre las

líneas de emisión y de absorción mediante un

procedimiento de calentamiento que pone más

ancha las líneas

La intensidad I(E) es función de la energía E de la transición nuclear u óptica

La vida media τ determina el ancho de la línea de resonancia Ѓde acuerdo a las desigualdades de Heisenberg

La intensidad sigue la regla de Breit WignerLa cual indica que si E = E0 la intensidad es máxima pero no Infinita (limitada por el valor de gama Г) y se está en la resonancia .

Átomo emitido Átomo absorbido

SIN RETROCESO

Elementos activosELEMENTO ACTIVO

a) Espectroscopía Mossbauer de Trasmisión

b) Espectroscopía de Retroceso o difusión

c) Espectroscopía con electrones de retroceso.

Se necesita vacío