MÉTODOS ESPECTROSCÓPICOS DE ANÁLISIS

1. INTRODUCCIÓN

Para la determinación de un analito hay métodos clásicos y métodos

instrumentales. Estos últimos tienen unas ventajas sobre los primeros:

1.) Permiten realizar análisis difíciles o imposibles por los otros métodos

con una elevada selectividad y sensibilidad. Además, mientras en los

métodos clásicos solo podemos determinar un analito por análisis, en

los instrumentales podemos determinar simultáneamente varios

analitos en un análisis.

2.) Suelen ser más rápidos y baratos que los clásicos. Es fácil la

automatización de estos métodos instrumentales.

3.) Los instrumentos analíticos pueden conectarse a ordenadores, lo que

permite un óptimo control del instrumento y manejo de datos.

4.) Desarrollo de instrumentos inteligentes.

A partir de ahora solo vamos a hablar de métodos instrumentales.

Estos métodos tienen ciertas desventajas:

1.) Requieren ser manejados por técnicos expertos.

2.) Es necesario una calibración previa del equipo. Esta calibración previa

se hace a base de métodos químicos, por lo cual la exactitud del

método instrumental depende de la exactitud del método químico

empleado.

3.) Esta calibración suele ser cara.

Existe una gran cantidad de técnicas instrumentales. Estas pueden

clasificarse en:

Espectroscópicas

Electroquímicas

Cromatográficas

Acopladas o conjuntadas

Diversas

2. DEFINICIÓN

Los métodos espectroscópicos son un amplio grupo de métodos analíticos

que se basan en las interacciones de la radiación electromagnética con la

materia.

La radiación electromagnética es un tipo de energía que toma varias

formas, de las cuales las más fácilmente reconocibles son la luz y el calor

radiante. Sus manifestaciones más difícilmente reconocibles incluyen los rayos

gamma y los rayos X, así como la radiación ultravioleta, de microondas y de

radiofrecuencia.

Actualmente el uso de métodos espectroscópicos está generalizado,

debido a su rapidez, a la gran gama de instrumentación disponible y sus

grandes posibilidades de automatización. En muchos casos es posible la

resolución de un problema analítico sin necesidad de recurrir a métodos de otro

tipo.

3. PROPIEDADES DE LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA

Muchas de las propiedades de la radiación electromagnética se explican

adecuadamente con un modelo clásico de onda sinusoidal, que utiliza

parámetros como longitud de onda, la frecuencia, la velocidad y la amplitud. A

diferencia de otros fenómenos ondulatorios, como el sonido, la radiación

electromagnética, no necesita un medio de apoyo para transmitirse y, por tanto,

se propaga fácilmente a través del vacío.

Figura. Representación de la radiación electromagnética como una onda sinusoidal

Para caracterizar una onda pueden usarse los siguientes parámetros

ondulatorios:

Longitud de onda, λ : es la distancia entre máximos o mínimos sucesivos.

Se expresa en cualquier unidad de longitud, siendo las más frecuentes el

metro, centímetro, angstrom, nanometro y micrometro.

1 angstrom (A) = 10-10 metros

1 nanometro (nm) = 10-9 metros

1 micrometro (mm) = 10-6 metros

Frecuencia, : es el número de ciclos por unidad de tiempo; por ejemplo,

veces que pasa por un determinado punto en 1 segundo. La unidad de

frecuencia es el segundo recíproco, s-1 o hertz (Hz).

La relación entre los parámetros mencionados es:

c

= ------

siendo c la velocidad de propagación, que en el vacío es de 2,9979 x 1010

cm/s.

El modelo ondulatorio falla al intentar explicar fenómenos asociados con la

absorción o la emisión de energía radiante. Para comprender estos procesos,

hay que acudir a un modelo corpuscular en el que la radiación

electromagnética se contempla como flujo de partículas energéticas

denominados fotones, en los que la energía de un fotón es proporcional a la

frecuencia de la radiación. Este doble punto de vista de la radiación como

partícula y como onda no es mutuamente excluyente, sino complementario. De

hecho, la dualidad onda-corpúsculo se aplica al comportamiento de haces de

electrones, protones y otras partículas elementales, y se racionaliza

completamente por medio de la mecánica ondulatoria.

La energía del fotón es proporcional a la frecuencia de la radiación

(relación de Einstein-Planck):

hc

E = h = ---- = hc

donde h la constante de Planck (6,63 x 10-34 J . s).

La relación anterior indica que la energía de un fotón de radiación

monocromática ideal (una sola frecuencia) depende únicamente de su longitud

de onda o de su frecuencia, de forma que un haz de radiación puede ser más o

menos intenso en función de la cantidad de fotones por unidad de área, pero la

energía del fotón es siempre la misma para una determinada frecuencia.

En la siguiente figura se muestran las regiones más importantes del es-

pectro electromagnético. Es necesario tener en cuenta que las zonas de

separación entre regiones no están establecidas de modo rígido, y al pasar de

una región a otra no existen discontinuidades en las propiedades de la

radiación.

Figura. Espectro electromagnético

4. CLASIFICACIÓN DE LOS MÉTODOS ÓPTICOS

Los métodos ópticos se dividen en:

1.) Métodos ópticos espectroscópicos: son aquellos en los que existe

intercambio de energía entre la radiación electromagnética y la materia.

Estos son debidos a transiciones entre distintos niveles energéticos.

Son los métodos más utilizados.

2.) Métodos ópticos no espectroscópicos: se basan en una interacción

entre radiación electromagnética y la materia que produce como

resultado un cambio en la dirección o en las propiedades físicas de la

radiación electromagnética. En estos métodos los mecanismos de

interacción son la reflexión, refracción, difracción, dispersión,

interferencias, polarización o la dispersión refractiva.

Espectroscópicos

Nivel molecular: UV-Visible, IR, microondas

Absorción

Nivel atómico: absorción atómica, rayos X

Nivel molecular: fluorimetría, fosforimetría, quimioluminiscencia

Emisión

Nivel atómico: Emisión atómica, ICP, fluorescencia de rayos X

No espectroscópicos

Dispersión: turbidimetría, nefelometría

Refracción: refractometría, interferometría

Difracción: rayos X

Rotación óptica: polarimetría

Los métodos de absorción han sido, hasta el momento, los de uso más

generalizado. Se basan en la absorción selectiva de radiación por la misma

especie a determinar o por un producto de transformación de dicha especie. En

los métodos de absorción molecular las transiciones se producen entre niveles

electrónicos, vibracionales y rotacionales, por absorción de radiación

ultravioleta, visible, infrarroja y de microondas.

El espectro en las regiones visible y ultravioleta está constituido por

bandas representativas de un gran número de transiciones. Como, con la

instrumentación ordinaria, la resolución de las diferentes bandas no puede

tener lugar las aplicaciones cualitativas de estas técnicas son bastante

limitadas. Sin embargo, la sensibilidad es relativamente alta, característica

adecuada para aplicaciones cuantitativas.

La absorción de energía correspondiente al infrarrojo produce cambios en

la energía de vibración y rotación de los enlaces en las moléculas. Como los

distintos grupos funcionales están constituidos por configuraciones atómicas

definidas, la absorción de los diferentes grupos tiene lugar a longitudes de onda

características. De aquí, la valiosa información cualitativa y estructural que se

obtiene con este tipo de espectros. El talón de Aquiles de esta técnica es su

aspecto cuantitativo, pues la sensibilidad es relativamente pequeña, salvo para

ciertos grupos químicos, tales como hidróxido e isocianato que presentan

fuertes absorciones.

Uno de los progresos más notables que ha experimentado la espec-

trofotometría infrarroja en época reciente ha sido el empleo del sistema de

transformadas de Fourier, modalidad con la que se mejoran características en

cuanto a rapidez, precisión y posibilidad de automatización.

La absorción de radiación a nivel atómico origina transiciones entre niveles

externos o entre niveles internos de los átomos, según que la radiación

absorbida sea ultravioleta-visible y de rayos X respectivamente.

La mayor utilidad de la espectroscopia de absorción de rayos X se

presenta en el estudio de espesores de materiales, pues en el terreno

puramente analítico las aplicaciones son escasas, debido fundamentalmente a

su baja sensibilidad.

El fundamento físico-químico de la espectrofotometría de absorción

atómica reside en el hecho de que cuando una radiación de una determinada

longitud de onda se pone en contacto con átomos en fase de vapor, éstos

absorben radiaciones energéticas correspondientes a sus líneas de resonancia,

pasando a estados excitados en cantidad proporcional a su concentración. La

atomización se produce con frecuencia en una llama o con métodos

electrotérmicos y la radiación incidente se origina en las llamadas lámparas de

cátodo hueco, que están construidas utilizando el mismo elemento a

determinar.

La técnica se caracteriza por su sencillez, rapidez y selectividad. Por otra

parte, el instrumental necesario suele ser bastante asequible desde el punto de

vista económico y la cantidad de muestra necesaria para una determinación es

muy pequeña.

Los métodos de emisión son menos utilizados que los de absorción y en

el esquema anterior se indican algunos. En ellos se utiliza la radiación

electromagnética emitida por la materia, independientemente de las causas

que originan dicha emisión.

Se produce luminiscencia cuando una especie molecular, que ha ad-

quirido un estado electrónico y vibracional excitado mediante una radiación

externa (fotoluminiscencia) o como consecuencia de una reacción química

(quimioluminiscencia), pierde el exceso de energía vibracional mediante

colisiones y a continuación vuelve al estado fundamental, emitiendo radiación

ultravioleta o visible. La característica más importante de estas técnicas desde

el punto de vista analítico es su gran sensibilidad.

La fotoluminiscencia puede dividirse en dos tipos, fluorimetría y

fosforimetría. De todas las técnicas luminiscentes, la más importante, sin duda,

es la fluorimetría, modernamente se ha desarrollado una modalidad muy

prometedora como fluorimetría de láser (con la que es posible el análisis de

compuestos fluorescentes a niveles de partes por trillón). En cuanto a la

fosforimetría, puede indicarse que en los últimos tiempos se ha apreciado un

notable incremento en su utilización, debido a mejoras que permiten trabajar a

temperatura ambiente.

La quimioluminiscencia no es una técnica de empleo masivo, si bien se

ofrecen cada vez mejores posibilidades en el análisis de trazas y en

inmunoensayos.

En la espectrometría de emisión, la excitación de la muestra se lleva a

cabo mediante un arco o una chíspa eléctrica. Generalmente la energía

necesaria para la excitación es tan alta que las especies moleculares se

disocian, con lo cual se emiten espectros atómicos o iónicos característicos.

Obviamente, estas técnicas no serán de utilidad para la determinación del

estado de combinación química de los elementos.

La excitación por arco o chispa presenta ventajas e inconvenientes, lo cual

delimita sus campos de aplicación. Así, el arco proporciona una energía mayor

lo que hace que sea más sensible, aunque su reproducibilidad es peor que la

de la chispa, de donde se infiere que en análisis cualitativo se prefiera el arco y

en análisis cuantitativo la chispa.

Cuando se utiliza una llama como fuente de excitación, la técnica se

denomina fotometría de llama. Debido a que la llama es menos energética

que el arco o la chispa, la fotometría de llama limita su campo de aplicación a

unos pocos elementos; los más fácilmente excitables, como alcalinos y

alcalinotérreos.

La utilización de un plasma como fuente de excitación, ICP, presenta

indudables ventajas relacionadas con su alta sensibilidad, gran intervalo de

linealidad y buena selectividad.

La fluorescencia atómica es una técnica relativamente reciente y se

puede considerar relacionada con la espectrofotometría de absorción atómica,

pues en lugar de medir la absorción por átomos formados en la llama, se mide

la emisión de resonancia o fluorescencia de resonancia que tiene lugar en

todas direcciones después de la absorción. Su principal ventaja frente a la

absorción atómica radica en que la sensibilidad es directamente proporcional a

la intensidad de la fuente luminosa fenómeno que no ocurre en absorción

atómica.

La fluorescencia de rayos X consiste en generar rayos X en una muestra

usando otros rayos X (primarios, más energéticos) para su excitación. Los

rayos X emitidos (secundarios) son característicos de la muestra excitada. El

método es, para el análisis cualitativo y cuantitativo más importante que todos

los demás métodos de rayos X. El análisis cualitativo se basa en la

identificación de las radiaciones fluorescentes producidas y el cuantitativo en la

medida de su intensidad, con ayuda de la correspondiente curva de calibrado.

El método es rápido, de buena sensibilidad y bastante exactitud, si bien, las

mayores ventajas son su especificidad y simplicidad.

La turbidimetría y la nefelometría son técnicas analíticas basadas en la

dispersión de la luz por partículas en suspensión en el seno de una disolución.

Como consecuencia de la interacción entre la radiación y las partículas, el

sistema no se eleva a un nivel energéticamente excitado, sino que la radiación

incidente induce un dipolo eléctrico oscilante, que actúa como una nueva

fuente emisora de radiación.

Pueden realizarse dos tipos de medidas. Si la dispersión es lo sufi-

cientemente grande como para originar una disminución apreciable en la

intensidad de la radiación incidente, puede observarse el rayo transmitido en el

mismo sentido que el incidente, denominándose turbidimetría a la

correspondiente técnica analítica. Si se trabaja con una suspensión que, o es

muy diluida, o está constituida por partículas relativamente pequeñas, la

relación entre la intensidad de radiación transmitida e incidente será

prácticamente la unidad, por lo que no podrá realizarse la medición como en el

caso anterior. Deberá medirse la intensidad de radiación en un cierto ángulo

con respeto al haz incidente, operando normalmente con un ángulo de 90o.

Esta técnica analítica recibe el nombre de nefelometría, y se caracteriza por su

mayor sensibilidad respecto a la turbidimetría.

La técnica basada en la determinación del índice de refracción es la

refractometría. Entre las ventajas que presenta esta técnica cabe citar su

carácter no destructivo, empleo de pequeñas cantidades de muestra y

mediciones rápidas y sencillas.

Cuando se miden diferencias entre el índice de refracción de la muestra y

el de una sustancia patrón se tiene la interferometría, un poco más compleja

que la refractometría, pero con la ventaja de proporcionar mayor precisión.

La difracción de rayos X es el método de más utilidad para estudiar

estructuras cristalinas de sólidos. Cuando se hace incidir un haz mono-

cromático de rayos X sobre una muestra cristalina se obtiene un espectro de

rayos X difractados característicos y la disposición de sus líneas o círculos

puede usarse con fines analíticos.

Como se mencionó al comienzo de este capítulo, la radiación elec-

tromagnética puede resolverse en dos componentes que están polarizados en

planos perpendiculares entre si. Por otra parte, un cierto número de sustancias

giran el plano de vibración de una radiación polarizada, y la magnitud de la

rotación debida a una sustancia determinada depende de su concentración.

Estas sustancias se caracterizan por su asimetría molecular o cristalina, y se

dice que son ópticamente activas. La medida de la actividad óptica de una

sustancia constituye la base de la polarimetría. Esta técnica proporciona un

método de análisis no destructivo, si bien está reservada exclusivamente a

compuestos orgánicos y organometálicos ópticamente activos.

5. ESPECTROS DE ABSORCIÓN Y EMISIÓN

Los procesos de absorción y emisión puede representarse de modo

sencillo:

x + h x*

x* x + Q (calor)

La primera reacción engloba todos los procesos de absorción de

importancia. La segunda representa la emisión posterior de la energía

absorbida, generalmente debida a la colisión con otros átomos o moléculas. En

general esta disipación no se considera cuando se estudian procesos de

absorción debido a que la cantidad de calor liberado es generalmente

despreciable. Sin embargo su consideración es importante para comprender su

espectro de absorción y para distinguirlo del de fluorescencia y el de otros

espectros.

Para que una radiación electromagnética sea absorbida por la materia

deben cumplirse:

Debe haber una interacción entre el campo eléctrico de la

radiación electromagnética y alguna carga eléctrica de la

sustancia.

La energía de la radiación incidente a de ser exactamente

igual a la diferencia de energías entre el estado

fundamental y uno de los estados excitados de la especie

absorbente.

Figura. Diagrama de los niveles de energía de una molécula

Los espectros de emisión se deben a un proceso que es exactamente el

inverso a la absorción:

x* x + h

de manera que la sustancia pasa de un estado exaltado de elevada energía a

uno de baja energía produciendo una emisión que puede ser:

Resonancia: fenómeno poco frecuente que tiene lugar

cuando un átomo o molécula que ha absorbido una determinada radiación

vuelve al estado fundamental emitiendo radiación de la misma frecuencia que

la absorbida. Este tipo de emisión se da casi exclusivamente en sistemas con

átomos aislados en los cuales no existe posibilidad de choques con otra

sustancia antes de la emisión.

Fluorescencia y Fosforescencia: son reemisiones de radiación de

longitudes de onda superior, es decir, de menor energía que la radiación

absorbida. Esto es debido a que parte de la radiación absorbida se pierde

generalmente por desactivación vibracional antes de la emisión.

En la fluorescencia el tiempo transcurrido entre la absorción y emisión de

radiación oscila entre 10-4 y 10-8 segundos, de modo que la reemisión parece

instantánea y cesa cuando se elimina la fuente de radiación.

En la fosforescencia el tiempo transcurrido entre la absorción y la

emisión es mucho mayor, variando entre 10-4 y 10 segundos o más.

6. LEY DE ABSORCIÓN DE LA RADIACIÓN

Al interaccionar la radiación electromagnética con la materia se produce

absorción si la frecuencia de la radiación es tal que su energía coincide con la

necesaria para que el sistema pase al nivel de mayor energía y permitido.

La ley fundamental que rigen el comportamiento de la radiación incidente

absorbida al pasar a través de una muestra dada se denomina LEY DE BEER,

donde se establece la relación entre la interacción de la radiación con la

concentración de la muestra.

Beer encontró que un aumento de la concentración del soluto

absorbente produce el mismo efecto que un aumento proporcional en la

distancia que recorre el haz a través de la muestra.

A = a b c

donde A es la absorbancia, a una constante, b es el espesor de la cubeta y c la

concentración.

La Ley de Beer es fundamental en los métodos ópticos de análisis, ya

que nos permite calcular la concentración de una sustancia a partir de la

medida de la radiación absorbida por una disolución de la misma.

La Ley de Beer es la base de análisis cuantitativo, ya que pone de

manifiesto que la absorbancia es directamente proporcional a la concentración

de un soluto. Para aplicar la Ley de Beer es necesario seleccionar la longitud

de onda óptima.

Limitaciones de la Ley de Beer

Esta Ley se cumple con soluciones diluidas (< 0.01 M), ya que en

soluciones de mayor concentración, cada molécula afecta a la distribución de

carga de la molécula vecina; interacción que altera la capacidad de absorción

de las especies.

Desviaciones de la Ley de Beer

Vamos a considerar tres tipos de errores:

Errores químicos

Errores instrumentales

Errores personales

Errores Químicos

Efecto del disolvente:

El efecto que produce el cambio de disolución en un soluto no puede

predecirse de manera general aunque a menudo origina corrimientos

espectrales, ensanchamientos de bandas y desviaciones de la Ley de Beer.

Efectos debidos a sistemas en equilibrio:

Se producen desviaciones de la Ley de Beer cuando un analito se disocia,

asocia o reacciona con le disolvente para originar un producto con un espectro

de absorción diferente.

Efectos debidos a impurezas en el agua destilada o de los reactivos así

como sustancias interferentes en la muestra.

Errores Instrumentales

Desviaciones debidas al uso de radiación no monocromática.

El cumplimiento estricto de la ley de Beer solo tiene lugar cuando se

utiliza una radiación monocromática (radiación de una sola longitud de onda).

Sin embargo, en la práctica no es posible utilizar radiación monocromática, ya

que los dispositivos instrumentales aíslan una banda más o menos simétrica de

longitudes de onda en torno al valor deseado.

Desviaciones debidas a la presencia de radiación parásita.

Se conoce como radiación parásita a toda radiación extraña que llega

al detector, pero que no proviene de la muestra. Puede producirse por la

presencia de polvo, defectos en el sistema óptico (ralladuras, etc.). Aunque

esta radiación parásita existe siempre sus efectos son más importantes a

valores elevados de absorbancia tal como se puede demostrar en la ecuación:

De esta forma, los errores instrumentales llevan siempre a desviaciones

negativas de la Ley de Beer.

Errores Personales

Se pueden producir un gran número de estos errores destacando:

Cuidado de las cubetas de absorción: deben de estar limpias y sin

huellas. Si trabajamos en el ultravioleta, hay que limpiarlas con ácido

nítrico concentrado, o bien con agua regia. No se limpiara con ácido

sulfúrico concentrado o caliente, porque podría atacar a la cubeta.

Control de Temperatura: en la mayor parte de las medidas cuantitativas

de absorción se realizan a temperatura ambiente. Pero si el soluto

absorbente interviene en una reacción de equilibrio, el control de la

temperatura puede ser crítico y por ello en algunos casos debe de

controlarse. En general, un aumento de la temperatura, lleva consigo un

desplazamiento de los máximos de absorción (o de las bandas de

absorción) a longitudes de onda mayores en regiones del Ultra Violeta y

del visible, ocurriendo lo contrario en el infrarrojo.

7. INSTRUMENTACIÓN EN LA ESPECTROSCOPÍA ÓPTICA

Existen dos tipos de instrumentación para medidas de absorción UV:

Los fotómetros, son instrumentos sencillos que permiten medir la

intensidad de radiación, ya que van provistos de filtros para seleccionar un

rango estrecho de longitudes de onda, y como detectores, usan fototubos.

Los espectrofotómetros, son instrumentos más o menos sofisticados

que usan monocromadores para seleccionar estas bandas estrechas de

longitud de onda. El monocromador permite una variación continua al

seleccionar las longitudes de onda, y también permite realizar un barrido en

una zona amplia de longitud de onda. Como detectores usan fototubos o tubos

multiplicadores.

Filtros - Fotómetros Fototubos Monocromadores - Espectrofotómetros Fototubos o tubos multiplicadores

Componentes básicos de los fotómetros y espectrofotómetros

Fuentes de energía (lámpara)

Selectores de longitud de onda (filtros, monocromadores)

Cubetas

Detector

Procesador de señales

Figura. Esquema de los componentes de un espectrofotómetro

La muestra la colocamos entre el seleccionador de longitud de onda y el

detector.

Fuente de energía

Una fuente de radiación debe generar un haz de radiación con potencia

suficiente para que se detecte y se mida con facilidad; y debe ser estable a lo

largo del tiempo.

Pueden ser:

1. Continuas: emiten radiación cuya intensidad varía sólo en función de la

longitud de onda. La lámpara más usada es la de filamento de

Wolframio, que es una fuente térmica que emite en el visible. Otras son

las lámparas de argón y de deuterio, que se usan en el ultravioleta. En

todos los casos, se hace pasar una corriente de electrones a través de

un gas y las colisiones entre ellos provocan la excitación electrónica,

vibracional y rotacional.

2. De Líneas: emiten un número limitado de bandas de radiación, cada una

de las cuales abarca un intervalo muy reducido de longitudes de onda.

Usadas en absorción y fluorescencia atómica. La más usada es la

lámpara de cátodo hueco

3. Láseres: producen radiación de alta intensidad y estrechas anchuras de

banda para cualquier longitud de onda seleccionada. Funciona como un

oscilador; es decir, la radiación producida por el láser se le hace pasar

muchas veces por un medio activo gracias a la acción de un par de

espejos. Esto provoca que la señal emitida esté muy amplificada.

Pueden ser: sólidos (rubí con cromo, neodimio con aluminio e itrio),

gases (helio, neón, argón, criptón, xenón) o de colorantes orgánicos.

Selectores de longitud de onda

Para conseguir medidas de absorbancia exactas, selectivas y sensibles,

es importante poder seleccionar una banda estrecha de del amplio espectro

que proporciona la fuente de radiación. El ancho de banda es una medida

inversamente proporcional a la calidad del dispositivo, siendo la resolución

mejor cuanto más estrecho es el ancho de banda.

Tipos:

1. Filtros: se fabrican para una sólo longitud de onda. Básicamente,

se utilizan dos clases de filtros:

Filtros de absorción

Filtros de interferencia

Los filtros de absorción, se basan en la absorción selectiva de que no

interesan y generalmente, son de vidrio, en el cual se ha dispersado o disuelto

un pigmento adecuado que permite esta absorción selectiva. Estos filtros sólo

operan en el V.

Los filtros de interferencia, se basan en el fenómeno de interferencia

óptica, es decir, una parte de la radiación que llega es absorbida y otra, se

refleja. Proporciona anchuras de banda más estrechas que los de absorción y

transmitancias de tipo mayores. Estos filtros operan en el UV, Visible e IR.

2. Un Monocromador es un dispositivo que genera un haz de

radiación de gran pureza espectral (anchura de banda estrecha.

Trabajan de forma continua y en un amplio intervalo de longitud

de ondas; es decir, realizan barridos espectrales.

Hay dos tipos de monocromador:

Monocromador tipo prisma.

Monocromador tipo red.

Los elementos esenciales de un monocromador, son una rendija de

entrada (determinando el haz de radiación policromática entrante), un elemento

dispersante (que puede ser un prisma o una red de difracción) y una rendija de

salida.

Figura. Tipos de monocromadores

El prisma o red, dispersa la radiación policromática en las que la

componen, y la rendija de salida transmite la correspondiente al máximo de

intensidad junto a una banda de a ambos lados. Las de redes son más

baratas y separan mejor la longitud de onda que las de prisma.

Las características de un monocromador son:

1. Pureza espectral: el haz de salida puede estar contaminado por

radiaciones parásitas. Para minimizar esto se recubre

internamente con pintura negra mate y se sella para que no entre

el polvo.

2. Poseer una buena dispersión.

3. Alto poder de resolución, es decir, que sea capaz de separar

longitudes de ondas adyacentes

4. Alta potencia de salida para que llegue al detector la mayor

energía radiante

5. Cuanto más estrecha sea la apertura de la rendija, mayor

resolución pero menos potencia de salida. La situación de

compromiso se denomina Anchura de banda efectiva.

Cubetas

Son recipiente porta muestras que tienen paredes paralelas y

rectangulares, y se fabrican en diversos materiales, de manera que, permitan el

paso de luz pero no absorban radiación. Por ello, en el UV utilizamos cubetas

de cuarzo y en el Visible usamos las de plástico o vidrios de silicato. Las hay de

diferente recorrido óptico, pero lo normal es de 1 cm de paso de luz.

Detectores

Son elementos que convierten la radiación en un flujo de electrones y

posteriormente, en una corriente o voltaje en el circuito de lectura. El detector

ideal debería tener un amplio intervalo de con una elevada sensibilidad, una

relación señal – ruido grande, un tiempo de respuesta rápido, mínima señal de

salida en ausencia de iluminación, así como tener una respuesta constante.

Los tres tipos de detectores usados en el UV / V son:

Células fotovoltaicas

Fototubos (Tubos fotoemisores)

Tubos fotomultiplicadores

La característica común a todos estos detectores es que tienen una

superficie activa capaz de absorber radiación, de manera que, la energía

absorbida causa la emisión de electrones y el desarrollo de una fotocorriente.

Células fotovoltaicas, en ellas, la energía radiante genera una corriente en la

interfase entre una capa semiconductora y un metal, y se usan fundamentalmente

en el Visible. Consisten en un electrodo plano (ánodo) de un metal (Cu, Fe o Al) en

el que se deposita un material semiconductor como es el Selenio, y después se

recubre por una fina película de Ag o Au. Esto sirve como electrodo colector.

Cuando al Se llega una corriente o una radiación, se produce la excitación de

electrodos de la interfase Se –Ag (o Se – Au), los cuales pasan al electrodo

colector (Ag). Los electrodos liberados migran a través del circuito hacia el metal,

resultando una corriente de electrodos proporcional al número de fotones que

inciden sobre el semiconductor.

Entre las desventajas están:

Es difícil amplificar la señal de salida, debido a la pequeña resistencia

interna de la célula; por esto se usan en fotómetros de filtro.

Manifiestan fatiga (sobre una radiación continuada, la respuesta no siempre

es constante)

Figura. Esquema de una célula fotovoltaica

Fototubos o tubos fotoemisores, consisten en un cátodo semicilíndrico (capa de

metal recubierta de otra capa de óxido alcalino) que es sensible a la luz, y un

ánodo que es un alumbre metálico. Ambos están encerrados herméticamente en

un recipiente cilíndrico con vacío. Cuando la radiación llega al cátodo, éste emite

electrones que son atraídos hacia el ánodo, el cual a través del circuito los

devuelve al cátodo. Esta corriente fotovoltaica producida, causa una caída de

potencial a lo largo de la resistencia que es proporcional a la intensidad de

corriente.

Figura. Esquema de un fototubo

La señal del fototubo es aproximadamente unas diez veces menor a la de las

células fotovoltaicas, pero debido a la posibilidad de amplificar la señal de estos,

éstos resultan más sensibles que las primeras. La sensibilidad del fototubo

depende de la naturaleza de la sustancia que recubre el cátodo y puede variarse

utilizando diferentes metales alcalinos o variando el método de recubrimiento.

Tubos fotomultiplicadores, son una combinación de un cátodo fotoemisivo y una

cadena interna de dínodos fotomultiplicadores de electrones. Cuando la radiación

llega al cátodo de composición similar a la de los fototubos, provoca la emisión de

electrones (electrones primarios), de manera análoga a la de un fototubo, pero en

este caso, los electrones son acelerados, por la aplicación de un potencial positivo

hacia una segunda superficie sensible, de forma que al incidir cada electrón

primario es capaz de producir la emisión de 4 ó 5 electrones secundarios. Estos

electrones son acelerados de nuevo hacia otra superficie sensible que se

encuentra a un potencial posiblemente superior, de forma que el número de

electrones emitidos vuelve a multiplicarse por 4 ó 5. Este proceso se puede repetir

tantas veces como queramos, pero en general los aparatos no llevan más de 10 ó

12 dínodos. La señal de salida puede a su vez amplificarse. Por tanto, es el

detector más sensible en el UV – V.

Figura. Esquema de un tubo fotomultiplicador

Procesador de señales

En general, es un dispositivo electrónico que amplifica la señal eléctrica

del detector; así mismo, permite eliminar componentes indeseados. Puede

también alterar la señal de la corriente, cambiarla de fase, filtrarla. También

puede realizar operaciones matemáticas con la señal como diferenciales,

derivadas, integral...

8. Control de Espectrofotómetros: calibración y verificación En el caso de la espectrofotometría se pueden realizar dos tipos de

mediciones dependiendo del análisis solicitado:

Medida directa de absorbancia: en este caso el equipo se puede

considerar que trabaja como cualquiera que mide una magnitud física.

Un ejemplo es la medición del poder colorante del azafrán.

Medida de concentraciones: en este caso lo que medimos es una

magnitud física (respuesta-absorbancia) con respecto a las entradas de

concentraciones químicas que hacemos en el equipo (calibración

instrumental).

Esta técnica es una de las más utilizadas para el análisis cuantitativo.

Las características más importantes de estos métodos espectrofotométricos

son:

- Tienen una amplia aplicabilidad tanto a sistemas orgánicos como

inorgánicos.

- Sensibilidades en torno a 10-4 10-5 M, pudiendo en algunos casos

llegar a 10-7M.

- Tienen de moderada a alta selectividad.

- Tienen una buena precisión.

- Tienen una fácil y adecuada adquisición de datos.

- Son métodos relativamente baratos.

Las aplicaciones de las medidas de absorción al análisis cuantitativo,

son muy numerosas.

Análisis de especies absorbentes: los componentes que contienen

grupos cromóforos, son susceptibles de esta determinación (alquenos,

alquilos, cetonas). Así mismo, se pueden determinar también

componentes inorgánicos como nitratos, nitrito, ozono, iones de los

metales de transición, yodo, etc.

Análisis de especies no absorbentes: numerosos reactivos

reaccionan selectivamente con especies no absorbentes originando

productos fuertemente absorbentes en esta región. El uso de tales

reactivos exige que la reacción de formación de los compuestos sea

completa.

Ejemplo de agentes complejantes para la determinación de especies

inorgánicas:

SCN Fe3+, Mo6+

H2O2 Ti4+, V5+, Cr3+

Ejemplo de agentes formadores de complejos:

0 – fenantrolina Fe3+

Dimetilglioxima Ni2+

Dimetilditiocarbonato Cu2+

Para la determinación de estas especies en análisis cuantitativo, el

procedimiento operatorio que llevamos a cabo es:

- Selección de la longitud de onda donde vamos a realizar medidas de

absorbancia. Las longitudes de onda serán las correspondientes a máximos de

absorción del compuesto, ya que aquí se alcanza una mayor sensibilidad:

En estas zonas de los máximos tenemos un intervalo de donde la

absorbancia no se modifica demasiado, por lo que las fluctuaciones a la hora

de la medida no crean muchos errores.

- Conocer las variables que afectan a la absorbancia natural del

disolvente, pH de la disolución, temperatura, [electrolitos] y la

presencia de sustancias interferentes.

Los efectos de todas estas variables se deben de conocer, y las

condiciones para el análisis se eligen de manera que la absorbancia no este

afectada por variaciones incontroladas de estos parámetros.

- Medida de la muestra: hay que tener en cuenta la limpieza y

manipulación de las cubetas.

- Determina la relación entre absorbancia y concentración. Una vez

seleccionadas las condiciones realizamos la Calibración usando patrones de

concentraciones conocidas, y que abarquen el intervalo de concentraciones

esperado en las muestras problema:

Y (A)

Y = mx + b

m

b X (c)

Cuando hay interferencias en la matriz de la muestra es necesario

aplicar el método de adición de patrón (ó adición estándar) lo cual por

extrapolación:

A

* C

También hemos de considerar que, como cualquier equipo instrumental,

los espectrofotómetros sufren desgastes con el tiempo, lo que viene a llamarse

deriva. Por ello, debemos realizar la Verificación del equipo para comprobar

que el espectrofotómetro se encuentra dentro de las especificaciones y es útil

para obtener los resultados buscados.

En este caso, podemos definir las siguientes operaciones a efectuar:

1. Longitud de onda: se verifica al menos cinco veces los máximos de

absorbancia obtenidos, para una disolución o filtro de holmio. Se usa el

holmio ya que proporciona picos estrechos a 254, 287, 361 y 563 nm.

Se deben establecer criterios de exactitud (λobtenida-λreferencia) y precisión

(repetitividad) a partir de las especificaciones del equipo o de otras

documentaciones existentes (revistas científicas, plan nacional de

calidad,…). Un ejemplo de criterio sería: exactitud menor a ± 1 nm y

precisión menor a ± 1 nm.

2. Absorbancias: para ello se pueden realizar 3 medidas obteniendo las

medias y desviaciones estándar al usar filtros calibrados NBS.

También se puede usar para verificar las absorbancias una disolución

de 50 mg/l de dicromato potásico disuelto en 0.01 N de ácido sulfúrico.

Longitud de onda Absorbancia

235 nm 0.626

257 nm 0.727

313 nm 0.244

350 nm 0.536

En ambos casos se puede usar como criterio de exactitud ≤ 0.005 A y de

precisión ≤ 0.002 A, en la diferencia de absorbancia obtenida y la de referencia.

3. Cubetas: constituyen un elemento fundamental, ya que sus variaciones

en construcción, limpieza y posicionamiento son fuente fundamental de

las desviaciones. Para ello, separamos dos cubetas de referencia que

serán consideradas como nuestros patrones, y realizamos una

verificación consistente en:

- Introducir agua destilada en cubeta patrón y en cubeta a

verificar. Medir dos veces la absorbancia.

- Intercambiar las cubetas y medir la absorbancia dos veces en

aquellos equipos de doble haz.

- Obtener diferencias entre las absorbancias.

- Comprobar frente a criterio: las diferencias no pueden ser

superiores al 1.5% o a 0.006 unidades de absorbancia.