CORTESIA DE : Electromédica Peruana S. A. División Analítica Dpto. Espectroscopia

Transcripción

1 CORTESIA DE : Electromédica Peruana S. A. División Analítica Dpto. Espectroscopia

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3 Conceptos Básicos.- Espectroscopia.- Medición e interpretación de fenómenos de absorción, dispersión o emisión de radiación electromagnética que ocurre en átomos, moléculas u otras especies químicas. La absorción o emisión están asociadas a los cambios de estado energéticos de las partículas actuantes.

4 Conceptos Básicos.- Espectroscopia Molecular.- Se refiere exclusivamente a los fenómenos de absorción, dispersión o emisión, asociados a especies moleculares. Estos fenómenos implican cambios energéticos a nivel de los orbitales de enlace en la capa mas externa, y los patrones de cambio en los estados de transición suelen ser de baja energía y de muy poca diferencia entre ellos.

5 Conceptos Básicos.- Radiación Electromagnética.- Es la Energía que se transmite por el espacio a enormes velocidades. Adopta muchas formas (Ejem. Luz, calor, Rayos X, Radiación g, UV, mw, etc.)

6 Conceptos Básicos.- Características de la Radiación Electromagnética.- Longitud de Onda. Frecuencia. Velocidad. Amplitud. No necesita medio de propagación. Comportamiento Dual: Onda y Partícula

7 Conceptos Básicos.- Características de la Radiación Electromagnética.- Modelo tipo onda: Presenta como parámetros ondulatorios: Amplitud (A), Periodo (P), Longitud de Onda (l), Frecuencia (n, 1/P). Longitud de Onda (l ) Amplitud (A) Tiempo P Periodo

8 Conceptos Básicos.- Energia.- Cuando la Radiación Electromagnética interacciona con átomos y moléculas ya no es posibles explicar sus atributos mediante la Teoría Ondulatoria y es mejor considerarla como partículas de energía llamadas Fotones. En este caso, se observa que la frecuencia de la radiación electromagnética es proporcional a la energía del Fotón. La constante de Proporcionalidad se denomina Constante de Planck (h). Cuantitativamente esta constante se relaciona con la frecuencia de la siguiente forma: E = h.n

9 Conceptos Básicos.- Energía.- La Energía de los Fotones también se relaciona con la Longitud de Onda de la Radiación. Como la velocidad de la Luz puede medirse según la ecuación: c = l.n entonces, la energía de un Fotón puede calcularse a partir de la siguiente ecuación: E = (h.c)/l (las unidades de energía pueden ser Ergios o Joule.seg)

10 Conceptos Básicos.- Transformaciones de la Energía.- Como indica el principio de conservación de la energía: La suma de todas las formas de energía que ingresan a una muestra debe de ser igual a la energía que sale de ella, más la energía que quede en el material. Los resultados de las interacciones de un átomo o molécula con sus alrededores y con la luz puede representarse por la figura de la derecha.

11 Conceptos Básicos.- Transformaciones de la Energía.- e - Entrada e - Salida (Efecto Fotoeléctrico, Emision Termoelectrónica, Electrones Secundarios) hn Entrada k b T salida (Perdida de energia no radiante) k b T Entrada hn Salida (luminiscencia, emisión) La Energía penetra en el átomo y sale de el en forma de luz, calor y energía cinética de partículas como los electrones. Como la luz puede transformarse en calor, la longitud de onda de la luz emitida puede ser mas larga (de menor energía) que la longitud de onda que excita a los átomos, y la energía restante se empleará para calentar el átomo y sus alrededores.

12 Conceptos Básicos.- Espectro de la Radiación Electromagnética l (m) Rayos g Rayos X Ondas Hertzianas (radio,tv) Microondas Ultravioleta Infrarrojo Visible Violeta Azul Verde Amarillo Naranja Rojo l (nm)

13 Conceptos Básicos.- Es posible separar radiación de una sola longitud de onda? No. Sin importar el método que se emplee para producir cualquier longitud de onda específica o seleccionar una longitud de onda única, de una amplia gama de longitudes de onda, lo más que se puede hacer es aislar un Intervalo de Longitudes de Onda muy cercano al valor deseado. Potencia H H 2 Ancho de Banda espectral Longitud de Onda Nominal Longitud de onda (nm)

14 Conceptos Básicos.- Y el termino Luz Monocromática? El termino Luz Monocromática (un solo Color), no significa que la radiación tenga una sola longitud de onda. Luz Monocromática significa que la radiación presenta un ancho de banda espectral Finito. El intervalo de Longitudes de onda de la radiación, es el ancho de Banda? No. El intervalo de Longitudes de Onda se denomina Pureza Espectral y es una medida Cuantitativa del intervalo de Longitudes de Onda de la radiación. El ancho de Banda es un número que nos indica en forma cuantitativa el intervalo de estas longitudes de onda. El Ancho de Banda Espectral también se denomina Ancho de Línea espectral.

15 Conceptos Básicos.- Y... como se miden estos valores? Potencia H H 2 Longitud de Onda Nominal La medición cuantitativa que se emplea es el Ancho de la Banda en el punto intermedio entre la línea base y el máximo (esto se denomina Ancho Total a la Mitad de la Altura o Ancho Total a la Mitad del Máximo. Ancho de Banda espectral Longitud de onda (nm)

16 Conceptos Básicos.- En resumen, debe de recordarse que: 1 Es posible producir radiación con un ancho de banda angosto a determinadas longitudes de onda. 2 La intensidad luminosa puede medirse cuantitativamente con un ancho de banda angosto. 3 La longitud de onda puede modificarse de manera continua y sin saltos en determinados intervalos de longitud de onda. Este método se denomina Barrido (Scan en ingles).

17 Conceptos Básicos.- Que es la Rejilla Espectral y Ancho de Rejilla Espectral? La Rendija Espectral o también denominado SLIT, es un corte en una barra de metal que permite el paso de luz desde la fuente hacia el detector. Las rejillas se presenta en forma par (Slit de entrada y Slit de salida), y en la mayor parte de los instrumentos modernos controlados por PC, estas rendijas son intercambiables en forma automática a diferentes tamaños. La barra se Slit se controla mediante pulsos para intercambiar posiciones, no tamaño de abertura. El ancho de Slit en estos instrumentos puede variar hasta en 5 tamaños de Slit. El Ancho de la Rendija Espectral es el tamaño de esta abertura, la cual se mide en nanómetros. El ancho de la rendija Espectral utilizado comúnmente es de 1 nm, pero según la aplicación la rendija puede ser mayor o menor tamaño (5 nm la mas alta y la mas baja de 0.1 nm).

18 Conceptos Básicos.- Cual es la relación entre el Ancho de Banda Espectral y el Ancho de Rendija Espectral? Observe la figura de la parte inferior, en ella se observa la fuente luminosa y la Rendija de Entrada y Salida de radiación. La radiación pasa atraves de la Rendija de entrada y luego se dispersa. Las diferentes longitudes de onda se propagan en diferentes ángulos, y solo un estrecho intervalo de longitud de onda atraviesa la Rendija de Salida. Fuente Luminosa Elemento Dispersor Detector Slit de Entrada Slit de Salida

19 Conceptos Básicos.- Cual es la relación entre el Ancho de Banda Espectral y el Ancho de Rejilla Espectral? Las diferentes longitudes de onda se propagan en ángulos diferentes, pero solo un estrecho intervalo de longitudes de onda pasan a través de la Rendija de Salida. Es evidente que el Ancho de la Banda Espectral depende del Tamaño de la Rendija de Salida.

20 Conceptos Básicos.- Cual es la relación entre el Ancho de Banda Espectral y el Ancho de Rejilla Espectral? Pero el ancho de la banda espectral también depende de la amplitud de la dispersión de la radiación y de la distancia entre el elemento de dispersión y la rendija de salida. Para un ancho de Rendija fijo, el ancho de la Banda Espectral, que pasa a través de la rendija de salida solo depende de la longitud de onda de la radiación.

21 Conceptos Básicos.- Cual es la relación entre el Ancho de Banda Espectral y el Ancho de Rejilla Espectral? A medida que la rendija es mas amplia, el poder espectral que la atraviesa es mayor y el ancho de banda espectral también aumenta. Siempre hay que tener en cuenta que cuando se incrementa la Potencia espectral empleando una rendija mas ancha, se reduce la pureza del espectro. U

22 Conceptos Básicos.- Que es Resolución y Potencia de Resolución? Potencia de Resolución es el termino que se utiliza para referirse a la capacidad del instrumento para separar longitudes de onda. La Resolución se refiere a la separación entre las longitudes de onda del espectro. La Potencia de Resolución se refiere al instrumento, mientras que la Resolución se refiere solo al espectro.

23 Conceptos Básicos.- Que es Resolución y Potencia de Resolución? La figura de la derecha nos da un ejemplo de la resolución de dos radiaciones de longitudes de onda cercanas. El ejemplo nos indica que el espectro obtenido presenta una resolución X con un valle al 90%. Esto significa que se considera que los picos están resueltos cuando la profundidad del valle es del 90% de la altura de los dos picos iguales. Potencia Dl Valle del 90% l 1 l 2

24 Conceptos Básicos.- Medición de Espectros La medición de Espectros o Scan (rastreo), depende de manera íntima tanto de la las propiedades espectrales de la muestra como del instrumento que se emplea para la medición. En el instrumento, se dirige la mayor cantidad posible de radiación hacia un Monocromador de barrido. Este Monocromador enfoca radiación de diferentes longitudes de onda en forma continua y ordenada (ascendente o descendente), sobre la muestra. Estas radiaciones son absorbidas emergen de la muestra hacia la rendija de salida y de allí al detector. El detector recibe la señal y la transforma a valores numéricos que la PC registra en forma ordenada en una gráfica de Longitud de Onda vs. Energía radiante (Espectro de Absorción).

25 Conceptos Básicos.- Medición de Espectros Proceso de Scanning: Celda de Muestra Fuente Luminosa Elemento Dispersor Detector Slit de Entrada Slit de Salida Electromédica Peruana S. A. División Analítica

26 Conceptos Básicos.- Medición de Espectros Y... Como varia el espectro con respecto al cambio de tamaño del Slit? Observe los siguientes espectros: (a) (b) Potencia Potencia l l (c) (d) Potencia Potencia l l

27 Conceptos Básicos.- Medición de Espectros El detector responde únicamente a la potencia luminosa total que ingresa a el, y no efectúa una discriminación efectiva de longitudes de onda. Como resultado de ello, el detector saca un promedio de la potencia que llega a todas las longitudes de onda que atraviesan el monocromador. Detector

28 Conceptos Básicos.- Medición de Espectros En consecuencia, a medida que el monocromador barre a través de la longitud de onda, y cuando el borde de la rendija llega al intervalo espectral del máximo, la potencia promedio que cae a el detector aumenta. Esto se observa como una elevación en el nivel de potencia antes de que la longitud de onda nominal del pico definido llegue a la base del pico definido. Detector

29 Conceptos Básicos.- Medición de Espectros Cuando la longitud de onda nominal llega al sensor, este marca la máxima potencia y se registra el máximo de absorción. Detector

30 Conceptos Básicos.- Medición de Espectros Cuando la Longitud de onda nominal del Pico definido llega al centro de la rendija parece que el punto mas alto (la potencia más alta) del pico se reduce, ya que el detector saca el promedio de la potencia máxima y de los puntos que se encuentran a una potencia inferior a ambos lados. Detector

31 Conceptos Básicos.- Medición de Espectros Cuando se optimiza el ancho de la rendija, el espectro se asemeja mucho a la cubierta de absorción, como se muestra en la figura (a). Si se emplea una rendija más angosta, la menor potencia que llega al detector implica que la contribución del ruido comienza a oscurecer el espectro (como se observa en la figura b). (a) (b) Potencia Potencia l l

32 Conceptos Básicos.- Medición de Espectros A medida que la rendija se hace más ancha que el óptimo, el ancho espectral es mayor que el máximo definido y el pico agudo adquiere una apariencia mas ancha y mas baja (como se puede ver en c y d). (c) (d) Potencia Potencia l l

33 Conceptos Básicos.- Que es la Espectrometría de Absorción? Es la parte de la Espectroscopia que se encarga de llevar a cabo mediciones cuantitativas, midiendo la fracción de luz de una determinada longitud de onda que atraviesa por la muestra Muestra Fuente Luminosa Elemento Dispersor Detector Slit de Entrada Slit de Salida Señal

34 Conceptos Básicos.- Como se lleva a cabo el análisis por Absorción? Para llevar a cabo el análisis, se efectúan dos mediciones de la cantidad de luz absorbida: 1) Se mide la cantidad de luz (a una longitud de onda elegida), que cae al detector al introducir un blanco al aparato (Potencia del Haz P o ). Es decir, se mide la potencia de la energía cuando la concentración de la muestra es igual a Cero. 2) Se mide la cantidad de la luz cuando se colocan analitos o muestras de calibración (estándares) y se comparan con la medición del blanco. Sea la Potencia de este Haz de energía igual a P. Se efectúan comparaciones entre la relación P/P o

35 Como se lleva a cabo el análisis por Absorción? Hay tres términos distintos para expresar dicha proporción: Espectroscopia en el Ultravioleta - Visible Conceptos Básicos.- Transmitancia.- T = P P o % Transmitancia.- %T = 100 x T Absorbancia.- A = - Log P P o A = - Log T

36 Conceptos Básicos.- Absorbancia y Concentración.- La Absorbancia de una muestra es proporcional a la cantidad total del material que absorbe la luz incidente. Es decir: En donde: A = a x b x c a = Es una constante característica del material. b = La longitud de la trayectoria que atraviesa la muestra. c = La concentración del material que absorbe luz. Esta ecuación es conocida como la ley de Lambert - Beer

37 Conceptos Básicos.- Absorbancia y Concentración.- Cuando la concentración c se expresa en Mol/L y la longitud en cm, la constante a pasa a ser el Coeficiente de Extinción Molar, e. La ecuación pasa a ser entonces: A = e x b x c El Valor de e depende de la longitud de onda de medición, por lo que e comúnmente debe de notarse con la longitud de onda de trabajo. Por ejemplo: e l(nm) a 530 se escribe como e 530

38 Conceptos Básicos.- Aspecto Matemático de la Ley de Lambert - Beer.- Consideremos un bloque de materia absorbente (Sólido, Líquido o Gas), como el que se muestra a continuación: P o P b

39 Conceptos Básicos.- Aspecto Matemático de la Ley de Lambert - Beer.- Se observa que: El haz paralelo de radiación monocromática de potencia P o incide perpendicularmente a la superficie del bloque. El haz de radiación atraviesa una longitud b del material que contiene n partículas absorbentes (átomos, iones o moléculas). La potencia del haz disminuye a un valor P a causa de la absorción.

40 Conceptos Básicos.- Aspecto Matemático de la Ley de Lambert - Beer.- Consideremos ahora una sección transversal del bloque del material absorbente (Sólido, Líquido o Gas), con un área S y un espesor infinitesimal dx. P o S P dx b

41 Conceptos Básicos.- Aspecto Matemático de la Ley de Lambert - Beer.- Se observa que: Dentro de la sección hay dn partículas absorbentes, cada una con una superficie de absorción fotónica de captura inmediata. La proyección del área total de esta superficie de captura dentro de la sección se designará como ds. La relación entre el área de captura y el área total esta dada por ds/s. Esta relación representa la probabilidad de captura de fotones dentro de la sección.

42 Conceptos Básicos.- Aspecto Matemático de la Ley de Lambert - Beer.- De las observaciones se desprende que: La potencia del Haz P x que ingresa en la sección es proporcional al número de fotones por cm 2 -seg. dp x representa la cantidad de fotones por segundo, eliminados dentro de la sección. Entonces la fracción de fotones absorbidos puede representarse como: - dp x /P x. Esta relación es igual a la probabilidad media de captura. El signo menos del término, indica que P experimenta disminución.

43 Conceptos Básicos.- Aspecto Matemático de la Ley de Lambert - Beer.- De esta forma, podemos deducir que: dp - x = ds... (1) P x S Pero como ds representa la suma de las áreas de captura de las partículas dentro de la sección, esta debe de ser proporcional al número de partículas: ds = a.dn... (2) Donde dn es el número de partículas y a es una constante de proporcionalidad, que puede denominarse Sección Transversal de Captura.

44 Conceptos Básicos.- Aspecto Matemático de la Ley de Lambert - Beer.- Combinando las ecuaciones (1) y (2) tenemos: dp - x = a.dn P x S Integrando la ecuación desde P o a P, obtendremos: P - Ln = a.n S P o

45 Conceptos Básicos.- Aspecto Matemático de la Ley de Lambert - Beer.- Convirtiendo la fracción en logaritmos de base 10 e invirtiendo la ecuación para cambiar el signo, obtenemos: P Log o = a.n... (3) P 2.303S Donde n es el número total de partícula dentro del bloque.

46 Conceptos Básicos.- Aspecto Matemático de la Ley de Lambert - Beer.- El área de la sección transversal S puede expresarse en términos de volumen V del bloque en cm 3 y de su longitud b en cm. De esta forma: S = V b... (4) Sustituyendo la ecuación (4) en (3), obtenemos: P o Log = a.n.b... (5) P 2.303V

47 Conceptos Básicos.- Aspecto Matematico de la Ley de Lambert - Beer.- Pero la relación n/v tiene unidades de concentración (número de partículas por cm 3 ) y puede convertirse en moles/litro utilizando el número de Avogadro: Número de Moles = Número de Moles = n partículas x partículas/mol n Mol x 10 23

48 Conceptos Básicos.- Aspecto Matemático de la Ley de Lambert - Beer.- Transformando a concentración en Moles/Litro: Concentración = Concentración = n x Mol x 1000 cm3 /L V cm n x Mol/L... (6) Combinando la ecuación (6) en (5), obtenemos: Log P o P = 6.02 x 1023 (a.b) (1000)

49 Conceptos Básicos.- Aspecto Matemático de la Ley de Lambert - Beer.- Finalmente, si agrupamos todas las constantes de la ecuación como un solo término (e), obtendremos: Log P o P = e. a. b En otras palabras: Absorbancia = Log P o P = e. a. b

50 Instrumentación.- Que es un Espectrofotómetro UV - Visible? Es un instrumento óptico que presenta la capacidad de resolver radiaciones de diferentes longitudes de onda, dentro del Rango Ultravioleta y Visible. Este rango, por lo general se encuentra dentro de los valores de 190 a los 1100 nm.

51 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? Un Espectrofotómetro UV - Visible presenta los siguientes componentes: Fuente de Radiación. Celda de muestra y Compartimiento de Muestras. Lentes, Espejos y el Sistema Monocromador Detector y Pre - amplificador. Pantalla de datos. Procesador de Datos o Computadora Personal. Periféricos de Salida de datos.

52 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? Fuente de Radiación.- Los Espectrofotómetros UV - Visible por lo general constan de dos fuentes de radiación: * La Lámpara de Tungsteno - Halógeno * La Lámpara de Deuterio (D2). Ambas lámparas presentan diferentes características de construcción y trabajo. El uso de una de ellas o de las dos (simultanea o alternadamente), dependen básicamente del analito bajo estudio y del rango de observación que ha de realizar el analista para su trabajo.

53 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? Fuente de Radiación.- La Lámpara de Tungsteno Halógeno: Utilizan un Filamento hecho de Tungsteno, presentan ventanas de salida de radiación hechas de cuarzo, el interior de las lámparas se encuentran rellenas con una pequeña cantidad de Halógeno en fase vapor (por lo general Yodo o Bromo). Están completamente selladas. Cuando el filamento de Tungsteno se calienta, este se sublima y en presencia del Halógeno inicia el Ciclo Halógeno. W + nx WX n W WX n nx WX n Pared de la Lámpara (Cuarzo) Filamento de Tungsteno El ciclo Halogeno se expresa mediante la siguiente ecuación: W + nx Lámpara a alta Temperatura Lámpara a baja Temperatura W = Tungsteno. X = Halogeno. WX n

54 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? Fuente de Radiación.- La Lámpara de Tungsteno Halógeno: El rango útil de trabajo de estas lámparas empieza desde los 345 nm y termina en los 1200 nm. Presentan tiempos de vida mayores en un 50% más que las lámparas convencionales y su brillo es 75% mayor. La intensidad baja debido a que la superficie interna de la lámpara se recubre de Tungsteno. La intensidad de la lámpara no decrece debido a que la superficie interna de la lámpara no se recubre de Tungsteno Intensidad El Filamento de Tungsteno se rompe Intensidad El Filamento de Tungsteno se rompe 500 Tiempo (Horas) 2000 Tiempo (Horas)

55 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? Fuente de Radiación.- La Lámpara de Deuterio: Estas lámparas presentan una ventana de Transmisión hecha de cuarzo y se encuentran rellenas con Deuterio en su interior. El rango de trabajo de estas lámparas parte desde los 180 hasta los 400 nm. Estas lámparas presentan la ventaja de poseer un espectro continuo en este rango y dos líneas de emisión muy fuertes a y nm, las cuales se utilizan frecuentemente para verificar la performance de los instrumentos. Intensidad I o I o/2 I o/4 Lámpara de Deuterio Tiempo (Horas)

56 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? Fuente de Radiación.- La Lámpara de Deuterio y la Lámpara de Tungsteno - Halógeno La intensidad baja debido a que la superficie interna de la lámpara se recubre de Tungsteno. La intensidad de la lámpara no decrece debido a que la superficie interna de la lámpara no se recubre de Tungsteno Intensidad El Filamento de Tungsteno se rompe Intensidad El Filamento de Tungsteno se rompe 500 Tiempo (Horas) 2000 Tiempo (Horas) I o Intensidad I o/2 Lámpara de Deuterio I o/ Tiempo (Horas)

57 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? El Sistema Monocromador.- Es un conjunto de elementos ópticos que se encarga de separar y seleccionar la radiación de la longitud de onda analítica bajo estudio. En otras palabras, el Monocromador es la parte del que dispersa la radiación Policromática, para seleccionar un solo tipo de radiación. Un Monocromador presenta los siguientes elementos ópticos: Lentes y Espejos. Ranuras de Entrada y Salida (SLIT). El Dispersor (Filtro, Prisma o Rejilla de Difracción).

58 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? Lentes y Espejos.- Por lo general estos lentes están hechos de un material plástico recubiertos por un baño de Plata o de cualquier otra superficie altamente reflectante. Los lentes son Biconvexos y por lo general se encuentran por pares, ubicados a la entrada y salida de radiación, (antes de la muestra y después de ella). La principal función de los Lentes es la de enfocar la radiación hacia diferentes partes del instrumento (Celda de muestra, Monocromador, Detector). Ya que los espejos y lentes presentan casquetes esférico, estos deben presentar corrección para la aberración en su construcción.

59 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? El Sistema Monocromador.- Ranuras de Apertura.- Las Ranuras de apertura (Slit) son espacios vacíos muy finos y discretos que permiten el paso de un haz de radiación monocromática. Estas Ranuras de Entrada no solo permiten el paso de radiación monocromática de valores discretos, si no que también impiden el paso de radiación de diferentes longitudes de onda que no se deseen para el análisis. Radiación de 540 a 560 nm 5 nm Radiación objetivo: 550 nm Radiación de 550 ± 2.5 nm

60 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? El Sistema Monocromador.- Ranuras de Apertura.- Potencia 5nm 50 nm l Idealmente, el tamaño del Slit se selecciona para que sea la décima parte del ancho del pico de interés. Este valor se toma debido a que el haz de radiación que emerge del monocromador no es 100% puro (la lámpara de Tungsteno emite radiación en todo el rango). En realidad, la radiación que emerge del monocromador es de un determinado rango de longitudes de onda muy cercanos al valor deseado.

61 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? El Sistema Monocromador.- Ranuras de Apertura.- El ancho de la banda espectral a la mitad de la altura de la radiación de más alta energía se denomina Ancho Medio de la banda espectral. La Absorbancia depende de este Ancho Medio ya que la Absortividad Molar (en la ley de Lambert y Beer), depende de la longitud de onda. Por ejemplo, las longitudes de onda presentes en un haz de radiación de 500 nm con un ancho de banda de 2 nm oscila desde los 498 a los 502 nm, pero el Ancho Medio de la Banda es de 1 nm (es decir 499 a 501 nm a lo más). Energía de la Radiación 1/2 498 Ancho Medio de Banda Espectral (1 nm) l (nm) Rango de radiación que pasa por el Slit de salida

62 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? El Sistema Monocromador.- Absorbancia Ancho Medio de 100 nm Ranuras de Apertura.- Como se escoge el valor del Slit del instrumento? /2 1 Por lo general se toma la décima parte del valor del ancho medio de la banda espectral del analito. Si el ancho del Slit es demasiado estrecho la radiación que emerge de ella puede no tener la energía suficiente originando altos niveles de ruido y una muy baja precisión fotométrica, como se observó en una de las diapositivas mostradas. l (nm)

63 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? El Sistema Monocromador.- Ranuras de Apertura.- Relación entre el ancho de la banda espectral y la altura real del pico espectral. 4 nm 1 1/2 2 nm 1 nm 1/4 Ancho de Banda : Area : Energía : Ancho de Banda : Area : Energía : 1/2 1/4 1/4 Ancho de Banda : Area : Energía : 1/4 1/16 1/16

64 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? El Sistema Monocromador.- Elemento Dispersor.- Es la parte del Monocromador que separa la radiación Policromática en sus componentes mas simples en rangos de longitud de onda estrechas. Existen 3 tipos de elementos dispersores utilizados en los espectrofotómetros UV/Visible, los cuales son: Filtros de Interferencia. Prismas de Cuarzo. Rejillas de Difracción.

65 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? El Sistema Monocromador.- Elemento Dispersor.- Filtros de Interferencia: Los Filtros de Interferencia son placas de vidrio (simples o en combinación), que se encuentran recubiertas con sustancias colorantes o pigmentos que absorben radiación en determinados rangos de longitudes de onda, dejando pasar solo bandas estrechas de radiación. Otro tipo de filtros se construyen intercalando una placa de cuarzo y una de un gel que contiene el colorante de absorción, seguida de otra placa de vidrio empapada en otro colorante o pigmento. Gel con Absorbente Placa de Cuarzo Placa de Cuarzo con Absorbente

66 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? El Sistema Monocromador.- Elemento Dispersor.- Filtros de Interferencia: De esta forma, pueden separase rangos estrechos de longitudes de onda, y seleccionando el filtro adecuado puede trabajarse en rangos específicos. Esta selección se hace más fácil aun, ya que solo 5 tipos de filtros cubren la mayor parte de las aplicaciones cuantitativas. Pero, por lo general, el Ancho de la banda espectral que se obtiene con este tipo de sistemas es de 30 a 50 nm.

67 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? El Sistema Monocromador.- Elemento Dispersor.- Ventajas y Desventajas de usar Filtros de Interferencia Las principales ventajas que presenta este elemento dispersor son: No requieren de montajes ni sistemas mecánicos complicados para la selección de la longitud de onda de trabajo. Debido a que no utilizan Ranuras de entrada y salida, la potencia del haz que emerge del filtro es alta. Las principales desventajas que presenta este elemento dispersor son: No pueden obtenerse ancho de banda estrechos. No permite realizar lecturas a dos longitudes de onda en forma simultanea.

68 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? El Sistema Monocromador.- Elemento Dispersor.- Prismas: Son piezas de cuarzo con dimensiones y formas específicas y con índice de refracción característicos. Estos prismas están diseñados exclusivamente para un tipo de Monocromador. q Por lo general son piezas Trapezoidales que pueden estar o no recubiertas de una placa altamente reflectante. Debido a que la refracción de radiación depende del índice de refracción del medio que atraviesa, los prismas se constituyen en elementos dispersores de gran eficacia. q

69 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? El Sistema Monocromador.- Elemento Dispersor.- Prismas: Espejo Esférico Prisma Superficie Reflectante Fuente de Radiación Slit de Entrada Slit de Salida La figura de la izquierda nos muestra un Monocromador que utiliza un Prisma como separador de radiación. El sistema que se observa es el montaje de Litrow. En este sistema, el Prisma se coloca en un ángulo de 30 grados.

70 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? El Sistema Monocromador.- Elemento Dispersor.- Ventajas de usar Prismas Las principales ventajas que presenta este elemento dispersor son: Un Prisma cubre un amplio rango de Longitudes de onda (desde 185 hasta los 2500 nm). No se requieren filtros de corte como en los monocromadores de Rejilla de difracción. Un Monocromador de Prisma asegura una alta dispersión con una alta resolución en el rango Ultravioleta (desde los 185 hasta los 300 nm).

71 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? El Sistema Monocromador.- Elemento Dispersor.- Desventajas de usar Prismas Las principales desventajas que presenta este elemento dispersor son: Se requiere un complicado sistema para obtener una escala lineal de longitud de onda. Esto se debe a que la dispersión del prisma varía con la longitud de onda. No puede obtenerse una resolución uniforme a un determinado ancho de banda fija. Esto se debe a que la la dispersión del prisma no es lineal.

72 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? El Sistema Monocromador.- Elemento Dispersor.- Rejilla de Difracción: Un Monocromador de Rejilla de Dispersión utiliza una pequeña placa (por lo general 1 x 1 cms), que presenta características especiales. Esta placa por lo general se denomina Rejilla o Grating. Estas rejillas presentan en su superficie una serie de dientes escalonados, uno tras otro, de tal forma que forman una superficie densamente poblada (cerca de 500 a 2000 dientes por milímetro cuadrado). Estos dientes presentan una posición y ángulo específico. Radiación Policromática l (m = 1) a i q l (m = 2) d Superficie de Aluminio Resina Sintética Placa de Vidrio

73 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? El Sistema Monocromador.- Elemento Dispersor.- Rejilla de Difracción: Radiación Policromática l (m = 1) i q l (m = 2) Superficie de Aluminio Resina Sintética El ángulo a (ángulo de inclinación de los dientes de la rejilla de difracción), se denomina Angulo de Cuchilla. Muchas de las rejillas de difracción comerciales son replicas de las rejillas maestras. a d Placa de Vidrio Cuando un haz de radiación choca con una de estas rejillas, el haz es dispersados en diferentes ángulos, (dependiendo de la longitud de onda), de acuerdo a la siguiente ecuación: ml = d(sen i + Sen q)

74 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? El Sistema Monocromador.- Elemento Dispersor.- Ventajas de usar Rejillas de Difracción Las principales ventajas que presenta este elemento dispersor son: Una rejilla de difracción asegura una mayor dispersión, con mayor resolución en el rango Visible y el Infrarrojo cercano. Una Rejilla de Difracción asegura una alta precisión en longitud de onda, principalmente por que la desviación debida al cambio de temperatura es despreciable. Con un ancho de Slit constante, la resolución es casi constante con respecto a la longitud de onda. Esto se debe a que la rejilla de difracción proporciona la misma dispersión en un rango amplio de longitudes de onda. Con el uso del mecanismo de Barra de Senos, el movimiento de la rejilla de difracción se asegura una escala lineal de longitudes de onda.

75 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? El Sistema Monocromador.- Elemento Dispersor.- Desventajas de usar Rejillas de Difracción Las principales desventajas que presenta este elemento dispersor son: La principal desventaja que presenta el usar un Monocromador de Rejilla es que se requieren filtros de corte para evitar espectros emergentes de mayor orden y la intensidad de la radiación de la energía que emerge del Monocromador hacia el Slit de Salida es de menor potencia.

76 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? El Sistema Monocromador.- Elemento Dispersor.- Rejillas de Difracción y el Mecanismo de la Barra de Seno Para simplificar la explicación de lo que es un mecanismo de barra de seno, tomaremos como referencia un Montaje de Litrow, en el cual el ángulo de radiación incidente sea el mismo que el ángulo de Difracción (i = Angulo incidente, q = Angulo de difracción). De esta forma, la ecuación: Se transforma en: ml = d(sen i + Sen q) l = 2dSen i

77 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? El Sistema Monocromador.- Elemento Dispersor.- Rejillas de Difracción y el Mecanismo de la Barra de Seno La ecuación describe que la longitud de onda es proporcional al Seno del ángulo incidente. Obsérvese el gráfico de la derecha, en el se se ve que el mecanismo de la barra de seno describe la siguiente ecuación: Motor Sen i = (X/A) Combinando la ecuación anterior con esta última, obtenemos: Rejilla de Difracción i A q X l = (2d)(X)/A Slit de Entrada Lo que indica que la l onda es proporcional al movimiento de la distancia X, proporcionando una escala lineal de longitud de onda. Slit de Salida 500 nm Contador de Longitud de Onda

78 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? El Sistema Monocromador.- Elemento Dispersor.- La siguiente figura muestra los sistemas Monocromadores más usados. Montaje Litrow Czerny - Turner Czerny - Turner de Tipo Cruzado Monk - Gillson

79 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? El Sistema Monocromador.- El Divisor de Haz.- El divisor de haz (Beam Spliter) es la parte del instrumento que se encarga de dividir el haz de radiación en dos haces, los cuales se intercalan en forma ordenada y a frecuencia constante, generando dos caminos o pasos ópticos denominados: Haz de Muestra y Haz de Referencia (o Haz de Control).

80 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? El Sistema Monocromador.- El Divisor de Haz.- Cual es la finalidad de dividir el haz de radiación en dos? La Finalidad de dividir el Haz es la de monitorear en forma casi continua la absorción de la Muestra como la de la Referencia. De esta forma, cualquier cambio que se produzca en el sistema (eléctrico, químico, físico), afecte tanto a la referencia como a la muestra. De esta forma la corrección por cualquier tipo de variación se realiza en forma instantánea y efectiva.

81 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? El Sistema Monocromador.- Elemento Dispersor.- Tipos de Divisores de Haz Espejo de Malla o Tipo Malla (a) (b) (c) (d) (e) (f)

82 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? El Sistema Monocromador.- Elemento Dispersor.- Tipos de Divisores de Haz (g) (h) (i) (j)

83 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? La Celda y el Compartimento de Celdas.- El Compartimiento de Celdas es la parte física del instrumento en la cual se alojarán las celdas de absorción. Este por lo general es un espacio que presenta uno o más contenedores de muestra (fijo o automático), y las aberturas para los lentes ópticos. El compartimiento de muestras por lo general se encuentra recubierto de una pintura de recubrimiento no volátil, oscura y de muy baja reflexión, lo cual la hace altamente absorbente a un amplio rango de radiaciones.

84 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? La Celda y el Compartimiento de Celdas.- El Compartimiento de Celdas debe de estar diseñado para alojar una serie de accesorios opcionales (como por ejemplo: Esfera de Integración, Microceldas, Sipper, etc). Las celdas que se utilizan en el espectrofotómetro por lo general están hechas de Vidrio o Cuarzo, pero si la aplicación requiere rango Visible, y el solvente es agua, pueden utilizarse celdas de Plástico descartable. Las dimensiones de estas celdas varían según la aplicación, pero las más comunes son las de 1 cm de paso óptico.

85 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? La Celda y el Compartimiento de Celdas.- Una celda para UV-Visible debe de lavarse escrupulosamente con agua y detergente (preferentemente neutro) y luego ser enjuagada con abundante agua destilada o desionizada antes de ponerse a secar. Si la celda queda manchada con algún colorante, dejar remojando la celda en una solución de Hipoclorito de Sodio por un tiempo máximo de 20 minutos, enjuagar con abundante agua destilada o desionizada y colocar a secar boca abajo.

86 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? El Detector.- Es la parte del instrumento que recibe la intensidad de radiación monocromática de la muestra, y la transforma a un valor de señal eléctrica. Esta señal eléctrica es medida y comparada con respecto a un valor de referencia (Blanco de control), para presentar un valor numérico que nosotros podamos entender Radiación Electromagnética Energía Eléctrica Señal Digital

87 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? El Detector.- El tipo de Detector más usado es el Tubo Fotomultiplicador. Este detector utiliza el fenómeno de la Foto Emisión para generar un pequeño flujo de corriente, el cual es amplificado y medido en forma proporcional a la cantidad de radiación incidente sobre el detector. Cada fotón que cae sobre el detector incide sobre una placa que desprende 3 o 5 electrones, los cuales chocan a su vez sobre otras placas, generando un efecto de cascada.

88 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? El Detector.- Un Detector Tubo Fotomultiplicador presenta las siguientes ventajas: Alta Sensibilidad en todo el Rango. Repetibilidad de la señal. Baja Fluctuación de la señal de Absorbancia. Deriva mínima Bajo Nivel de Ruido.

89 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotometro UV - Visible? La Pantalla de Presentación de Datos.- Es la parte del instrumento que permite ver los diferentes datos que pueden conseguirse con el espectrofotómetro. La forma de presentación de datos incluyen accesorios tales como : LEDs (Diodos Emisores de Luz), Pantallas de Cristal Líquido (LCD), Tubos de Rayos Catódicos (CRTs), Medidores Análogos, etc.

90 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotometro UV - Visible? La Pantalla de Presentación de Datos.- Por lo general todos los equipos modernos presentan una pantalla gráfica que permite ver tanto el barrido espectral, como los datos cuantificados.

91 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? La Computadora Compatible.- La Computadora personal o compatible de mesa se ha vuelto parte indispensable de todo equipo moderno. La PC aumenta las capacidades de trabajo y las funciones del instrumento, permitiéndole realizar: trabajos automatizados, Procesamientos y Cálculos matemáticos veloces y una inmejorable presentación de los mismos.

92 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? La Computadora Compatible.- Por lo general la conexión a una PC se lleva a cabo utilizando una interfase IEEE 488 (GP-1B) y BCD (las cuales son interfase paralela de 8 bits. La interfase comúnmente usada es la RS-232C. Esta es una interfase serial de 8 a 16 bits. La interfase IEEE 488 es otro tipo de interfase, la cual es superior a la RS- 232C y a la BCD, ya que permite la comunicación con mas de un instrumento por medio de un bus.

93 Instrumentación.- De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? Perifericos de Salida de Datos.- Los perifericos de Salida de datos se refieren a las diferentes formas en las cuales los datos se dan a conocer. El periferico más usado para la salida de datos es la Impresora. Otras formas de salida de datos es por medio de dispositivos Magneto-Opticos (Disquetes o Tarjetas de Memoria).

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95 Gracias por su Atención! Electromedica Peruana S. A. División Analítica