INSTRUMENTACIÓN PARA ESPECTROSCOPIA

Transcripción

1 INSTRUMENTACIÓN PARA ESPECTROSCOPIA Los instrumentos utilizados para el estudio de la absorción o emisión de la radiación electromagnética como función de la longitud de onda, son llamados Espectrómetros o más frecuentemente Espectrofotómetros. Los principios ópticos y electrónica empleados en los instrumentos son los mismos para espectroscopía UV, Visible o IR, sin embargo hay ligeras diferencias en componentes específicos del instrumento para cada región del espectro electromagnético. Los componentes esenciales de un espectrofotómetro son : 1. Una fuente estable de energía radiante 2. Un sistema de lentes, espejos y aberturas (Slits ), que definan, colimen (hagan paralelo) y enfoquen el haz de radiación y un monocromador que separe la radiación de bandas estrechas de longitud de onda. 3. Un componente transparente a la radiación que contenga la muestra 4. Un detector de radiación o transductor que recibe la señal de radiación electromagnética y la convierte en una señal eléctrica de magnitud proporcional a la intensidad de la radiación recibida. 5. Un sistema amplificador que produzca o genere una señal eléctrica mucho mayor a la señal recibida 6. Un sistema de lectura tal como: Una escala de aguja, un registrador, un sistema de dígitos o una computadora, que transforme la señal eléctrica en una señal que el operador pueda interpretar. 7. El diagrama de estos componentes es el siguiente: Figura 1: Diagrama de bloques para los componentes de un espectrofotómetro

2 FUENTES DE RADIACION: Estas consisten de materiales que son excitados a niveles de mayor energía, por medio de descargas eléctricas de alto voltaje o por calentamiento. Cuando los electrones del material regresan del estado excitado al estado basal, emiten energías características correspondientes a E, la diferencia en energía entre el estado basal y el estado excitado. Una fuente de radiación ideal, sería aquella que emitiese un espectro de igual intensidad sobre la región de interés, sin embargo la intensidad de ésta varía con la longitud de onda. Sí el voltaje que suministra energía eléctrica a la fuente varía, la intensidad en la relación emitida por ésta fuente también se altera, y esto afecta las lecturas las cuales son efectuadas a intervalos. En instrumentos de doble haz la radiación que emerge de la fuente es dividido en dos: El haz de referencia y el haz de muestra. El transductor, el cual recibe las dos señales compensa por los efectos de variación de voltaje o de intensidad en la fuente misma cancelando de ésta manera los efectos inherentes a la misma. Las fuentes de radiación utilizadas en espectroscopía son continuas o de líneas. Las primeras tienen amplio campo de aplicación en métodos espectroscópicos basados en absorción molecular. Las fuentes de línea son empleadas en espectroscopia de absorción atómica. FUENTES DE RADIACIÓN ULTRAVIOLETA: Las lámparas de hidrógeno y deuterio son las fuentes más comunes de radiación UV. Estas consisten de un par de electrodos en un tubo de vidrio con ventanas de cuarzo, y que además contiene hidrógeno o deuterio gaseoso. Cuando se aplica un alto voltaje a los electrodos, ocurre una descarga de electrones, lo cual excita las moléculas de gas y éstas pasan a niveles energéticos superiores. Cuando los electrones de los átomos del gas regresan a su estado basal emiten radiación, la cual es continua en el rango de 180 a 350 nm. Para UV es posible también utilizar la lámpara de xenón, la cual emite una radiación más intensa, sin embargo ésta no es tan estable como la lámpara de hidrógeno y de deuterio, además de que emite radiación visible lo cual interfiere en las aplicaciones en espectroscopia UV. FUENTES DE RADIACIÓN VISIBLE: La lámpara de tungsteno es la fuente más barata y más satisfactoria en espectroscopia visible e infrarroja. El filamento de tungsteno es calentado por medio de una fuente de corriente directa o por una bateria. Los filamentos de tungsteno, los cuales alcanzan una temperatura de aproximadamente 2900ºC, emiten radiación continua de 350 a 2500 nm. El arco de grafito emite una radiación más intensa, sin embargo es muy raro que ésta fuente sea utilizada en éste tipo de espectroscopía. FUENTES DE RADIACIÓN INFRARROJA: El Globar y la lámpara de Nernst son las fuentes primarias de radiación infrarroja. El Globar es una barra de carburo de silicio que se calienta aproximandamente a 1200ºC. Este emite radiación en el rango de 1 a 40 µm y es muy estable. La lámpara de Nernst es una barra hueca de óxidos de itrio y de zirconio calentados aproximadamente a 1500ºC. Esta lámpara emite radiación continua entre 0.4

3 y 20 µm y no es tan estable como el Globar, pero éste último requiere de enfriamiento con agua. MONOCROMADORES Como se indicó anteriormente, las fuentes de radiación emiten en forma continua sobre un determinado rango de longitudes de onda. El uso de bandas angostas de longitudes de onda de radiación tienen las siguientes ventajas: a) La radiación en bandas angostas permite la resolución de bandas de absorción que son muy cercanas entre sí. b) Con bandas angostas un pico puede ser medido a su máximo de absorción incrementando así la sensibilidad. c) Las bandas angostas de absorción tienden a seguir en mayor aproximación la Ley de Beer. Con la finalidad de resolver el haz policromático en bandas angostas de longitudes de onda se emplean filtros y monocromadores. FILTROS.- Los filtros y monocromadores son utilizados para obtener radiación de un rango angosto de longitudes de onda (radiación casi monocromática). Los filtros son materiales de un vidrio especial, el cual contiene sustancias que le dan color al vidrio y que absorben una parte de la radiación y transmiten otra. Estos filtros transmiten radiación en anchos de bandas de 20 a 50 nm aproximadamente. MONOCROMADORES.- Los monocromadores tienen capacidad de resolución de ancho de banda 35 a 0.1 nm. Los componentes de un monocromador son: 1. Una abertura que permita el paso de la radiación policromática de la fuente. 2. Un colimador que puede ser una lente o un espejo. 3. Un medio de dispersión que puede ser un prisma o una rejilla. 4. Lentes de enfoque o espejos. 5. Una abertura de salida. Todos los moncromadores tienen: una abertura de entrada; unos lentes colimadores o un juego de espejos para producir un haz paralelo de radiación; un prisma o rejilla como elemento de dispersión y un elemento de enfoque, el cual proyecta una serie de imágenes sobre una superficie plana (el plano focal). Adicionalmente, la mayoría de los moncromadores tienen ventanas en las aberturas de entrada y salida para proteger los componentes del moncromador del polvo y los humos corrosivos que puedan existir en el ambiente. En la Figura 2 se muestra el diseño óptico de dos monocromadores típicos, uno empleado como medio de dispersión de la radiación de un prisma y el otro una rejilla de dispersión.

4 Con propósitos de ilustración se muestra una fuente de radiación que solo emite dos o tres longitudes de onda λ 1 > λ 2 >λ 3. La radiación llega al monocromador a através de una abertura rectangular (slit de entrada), es colimada y posteriormente incide con un cierto ángulo sobre la superficie del elemento dispersor (prisma o rejilla). En el prisma la refracción en las dos caras de éste, genera la dispersión angular de la radiación. En la rejilla la dispersión ocurre como consecuencia del fenómeno de difracción. En ambos casos, la radiación ya dispersada se enfoca sobre el slit de salida, pero únicamente sale del monocromador radiación de longitud de onda λ 1. De ésta manera, de la radiación policromática generada por la fuente, solamente una porción de ésta incidirá sobre la muestra. Sería deseable tener un ancho de banda sumamente pequeño (y un monocromador puede hacerlo), sin embargo, mientras menor sea el ancho de banda menor será la cantidad de fotones que lleguen al detector y consecuentemente la sensibilidad del instrumento se ve disminuida. El ancho de banda se puede seleccionar con la abertura (slit width) y esto generalmente se hace en forma empírica. Figura 2: Dos tipos de monocromadores. (a) Monocromador de prisma tipo Bunsen. (b) Monocromador de rejilla tipo Czerney-Turner. λ 1>λ 2. PRISMAS.- El prisma, tal y como se ha mencionado con anterioridad separa la radiación policromática en bandas angostas y a diferentes ángulos. Para dirigir la radiación de longitud de onda seleccionada a la abertura de salida (slit) se hace girar el prisma por medio de un mecanismo acoplado para este fin. Para una alta resolución de la radiación prolicromática (buena separación angular de la radiación de diferentes longitudes de onda), se requiere que la dispersión sea lo mayor

5 posible. La dispersión se defina como dθ/dλ la variación en ángulo de dispersión con respecto a la variación en longitud de onda. Esta es la mayor desventaja de un prisma; la dispersión en un prisma es mayor para longitudes de onda cercanas a sus bandas de absorción, y como la mayoría de los primas absorbe radiación UV, la dispersión se incrementa para longitudes de onda cortas. Por ejemplo el prisma de cuarzo exhibe excelente dispersión a longitudes de onda cercanas a 200 nm, sin embargo la dispersión y la resolución es baja en la vecindad de los 700 nm. En forma general, mientras menor sea la longitud de onda que incide en el prisma mayor es su resolución. La Figura 3 es una gráfica de índice de refracción -lo cual es una medida de la capacidad de dispersión de un prisma- en función de longitud de onda. En términos de resolución, el prisma es más efectivo a longitudes de onda cercanas a su banda de absorción, sin embargo bajo estas circunstancias la energía transmitida por el prisma se ve disminuida, y los requerimientos del detector pueden no satisfacerse, siendo necesaria incrementar la abertura de la ventana del monocromador (slit) y se pierde resolución en el análisis. Todo lo anterior sirve para hacer comprender el equilibrio que debe existir entre el prisma y los demás componentes del espectrofotómetro. MATERIALES DEL PRISMA.- El material del que está hecho el prisma debe ser trasparente a la radiación utilizada y un excelente medio dispersor. Para el UV pueden ser utilizados prismas de sílice o de cuarzo. Para el Visible e Infrarrojo cercano, el vidrio ordinario con plomo muestra buenas cualidades. Para el Infrarrojo se utilizan sólidos iónicos cristalinos, siendo uno de los más utilizados el Cloruro de Sodio. Figura 3: Índice de Refracción como una función de la longitud de onda, para diferentes materiales.

6 REJILLAS.- Las rejillas como medio de dispersión de la luz son muy superiores a los prismas. Hasta hace poco años una de las desventajas de este tipo de dispersor era su costo. Actualmente se ha desarrollado la tecnología para la elaboración de rejillas de difracción en grandes cantidades y con aceptable calidad, lo cual ha traído como consecuencia un menor precio y un desplazamiento casi total a la utilización de rejillas de difracción como elementos de resolución de haces policromáticos. Una de las desventajas de las rejillas dispersoras es la producción de radiación extraña, así como de espectros de segundo y tercer orden, pero estos efectos pueden ser minimizados con el uso de filtros y una adecuado diseño del instrumento. En los instrumentos más modernos y de mejor calidad la rejilla de difracción han sustituido casi por completo el uso de los prismas como monocromadores. LENTES Y ESPEJOS.- La radiación es colimada y enfocada por lentes y espejos. El material de los lentes debe ser por supuesto trasparente a la radiación utilizada. En el Infrarrojo se utilizan espejos, ya que la mayoría de los materiales no son suficientemente trasparentes a la radiación Infrarroja y causan significantes pérdidas de energía. También en espectroscopía Visible y UV se emplean con frecuencia los espejos como elementos o partes del monocromador. MANEJO DE LA MUESTRA RECIPIENTES DE MUESTRA.- Las muestras para espectroscopia UV, Visible o IR pueden ser líquidas o gaseosas. Para UV es necesario utilizar celdas de cuarzo, ya que el vidrio absorbe radiación UV; para Visible pueden utilizarse cuarzo o vidrio común. Las celdas en UV y Visible pueden ser cilíndricas o cuadradas, y se prefieren éstas últimas por tener mejor óptica. Las celdas deben de estar marcadas para que el paso del haz de radiación sea siempre en el mismo lugar de la celda y de ésta manera compensar por imperfecciones ópticas en las paredes de la celda. SOLVENTES.- El solvente de la muestra, la cual es responsable de la absorción de la radiación, debe disolver completamente la especie y ser trasparente a la región que se está estudiando. En espectroscopia de flama el recipiente de muestra se puede considerar la flama misma, la cual además de proporcionar la energía necesaria para la atomización de los elementos tiene la función de sustentar momentáneamente los átomos formados. El solvente en una flama son los gases ahí producidos y que simultáneamente aparecen con la especie absorbente.

7 SISTEMAS DE DETECCIÓN Los detectores modernos general una señal como resultado de los fotones que llegan y chocan con él. Esta señal activa una aguja, envía una señal digital a un microprocesador y/o activa un graficador. El ruido, como ya se ha mencionado anteriormente, se refiere a una señal de fondo generada por la vecindad del instrumento con otros aparatos y/o por cambios mismos en el sistema electrónico en el detector. Un buen instrumento debe reunir los siguientes requerimientos: a) El ruido debe ser mínimo para que no interfiera con la señal recibida. b) El tiempo de respuesta debe ser corto. c) Debe ser estable durante un largo período de tiempo. d) La señal percibida debe ser fácilmente amplificada. DETECTORES PARA UV Y VISIBLE.- Los fotones con radiación de longitud de onda en visible y UV, poseen suficiente energía para causar la fotoeyección de electrones cuando chocan en superficies que han sido tratadas con compuestos específicos. La absorción de estos fotones también puede causar que los electrones que se encuentran en la banda no conductora pasen a la banda de conducción, si el material sobre el que inciden los fotones es un semiconductor. Ambos procesos general una corriente eléctrica que es directamente proporcional al pode radiante de los fotones absorbidos. Los detectores que utilizan este sistema se denominan detectores fotoeléctricos y son clasificados como fototubos y celdas fotovoltáicas. FOTOTUBOS.- Un fototubo consiste de: a) un cilindro al alto vacío (con una ventana de cuarzo para UV), b) un cátodo semicilíndrico, el cual tiene en su superficie un compuesto, con propiedades tales que los electrones de ésa substancia se pueden desprender con relativa facilidad. Este compuesto generalmente es un óxido de un metal alcalino (litio, sodio, potasio, etc.) o alcalinotérreos (calcio, bario, estroncio, etc.) y c) un ánodo que es un alambre metálico. A este sistema se le aplica una diferencia de potencial de aproximadamente 90 volts. La Figura 4 representa un sistema de detección a base de fototubo. La radiación que atraviesa la celda de muestra o de referencia pasa a través de una ventana de vidrio pyrex o cuarzo del cilindro, y choca con la superficie fotoemisiba del cátodo. Los fotones son absorbidos y transfieren su energía a los electrones débilmente ligados a la superficie del material. Estos electrones son desprendidos del cátodo y son colectados por el ánodo, generándose un flujo de corriente en el circuito y la corriente generada es directamente proporcional al poder radiante de la radiación incidente.

8 Figura 4: Diagrama esquemático de un fototubo La corriente en el fototubo es función de la diferencia de voltaje entre el cátodo y el ánodo y de la longitud de onda de la radiación incidente. Si este llega en un amplio rango de longitudes de onda la corriente generada en el fototubo se desvía de la linearidad. La intensidad de corrriente en el fototubo es de alrededor de amperes, por lo que se coloca una resistencia para aumentar la señal que entra al amplificador. El ruido en el fototubo se produce debido a la emisión de fotones del cátodo al ánodo que siempre existe, aún y cuando no llegue energía radiante al fototubo. Este ruido aumenta con la temperatura y con el área del cátodo. TUBO FOTOMULTIPLICADOR.- Cuando incide radiación sobre una superficie fotoemisiba se genera un desprendimiento de electrones de dicha superficie. Si estos electrones desprendidos se aceleran por medio de un campo eléctrico y chocan con otra superficie fotoemisiba, se desprenden más electrones que el primer caso. Si este proceso se repite una y otra vez, se tendrá un efecto multiplicador de los fotones. Este es el principio de un tubo fotomultiplicador el cual se representa en la Figura 5. Después de 9 pasos de amplificación, un fotón original ha originado un desprendimiento de aproximadamente 10 6 electrones. Los fototubos son utilizados primordialmente para percibir señales de baja intensidad. Su desventaja más grande es el costo elevado de este componente electrónico.

9 Figura 5: Sección transversal de un tubo fotomultiplicador. FOTOCELDAS.- Las celdas fotovoltaicas son utilizadas para detectar y medir la radiación en la región visible y su rango de detección es aproximadamente el del ojo humano. Estas consisten de una hoja de cobre o hierro, la cual sirve como electrodo, sobre la cual está depositada una capa de un material semiconductor tal como óxido de cobre (I) o selenio (Figura 6). La superficie exterior del semiconductor es cubierta por una capa trasparente de oro, plata o plomo, el cual sirve como segundo electrodo o electrodo colector. El sistema está protegido por una cubierta trasparente. Cuando incide radiación de suficiente energía sobre el semiconductor, los enlaces covalentes de este son rotos con el resultado de que se forman huecos y electrones en el semiconductor. Para compensar este efecto los electrones emigran hacia la película metálica y los huecos a el electrodo que sirve de base al semiconductor. Los electrones liberados emigran a través del circuito externo para interaccionar con los huecos del segundo electrodo y el resultado es el flujo de una corriente, cuya magnitud es proporcional a la intensidad de la radiación recibida. Esta corriente es lo suficientemente grande para ser medida con un galvanómetro o microamperímetro, por lo cual en estos instrumentos generalmente el sistema de lectura es una aguja conectada a un galvanómetro. El uso de fotoceldas adolece de las desventajas de que no tiene buenos límites de sensibilidad, además de que se desgasta por fatiga con el tiempo y pierde sus características originales. Cuando los requerimientos de sensibilidad no sean muy estrictos y para trabajo ordinario es recomendable equipos con este sistema de detección debido a su bajo costo.

10 Figura 6.-Construccion de una celda capa-barrera o fotovoltaicas AMPLIFICACIÓN Y LECTURA DE LA SEÑAL La señal electrónica generada por un detector de radiación, debe ser convertida a una señal que el operador del instrumento pueda leer e interpretar fácilmente. Este proceso se efectúa con amplificadores, amperímetros, potenciómetros y graficadores potenciométricos. AMPLIFICADORES.- Un amplificador toma una señal de entrada del detector y por medio de una serie de procesos electrónicos produce una señal de salida que es mucho mayor a la de la entrada. El factor de amplificación que es llamado la ganancia del amplificador, es la relación entre la señal de salida y la señal de entrada. Generalmente esta señales son voltajes. SISTEMA DE LECTURA.- Una vez que la señal de energía radiante ha sido trasformada en una señal eléctrica y amplificada posteriormente, dicha señal pasa a un sistema de lectura. En algunos equipos, la señal eléctrica amplificada se procesa para darle movimiento proporcional a una aguja, la cual indica la absorbancia o trasmitancia registrada, en una escala que contiene el aparato. En esta escala, la absorbancia tiene como límites de 0 a infinito, mientras que la transmitancia varía de 0 a 100%; la escala de absorbancia es logarítmica y la de transmitancia es lineal (Figura 7).

11 Figura 7: Relación entre trasmitancia y absorbancia. En instrumentos más modernos, la escala de absorbancia o de transmitancia se presenta en números digitales. También es posible a través de algunas funciones que el procesador contiene, obtener la lectura directamente en concentración. El sistema digital más moderno, tiene la ventaja de que la lectura de a la señal está libra de errores de criterio e interpretación del operador. Frecuentemente es conveniente obtener un registro de la señal en función del tiempo o al hacer variar la longitud de onda por ejemplo, para obtener un espectro de absorción de una especie química. En este caso, lo más conveniente es registrar la señal continuamente y obtener de ella una gráfica que indique la variación de la propiedad en función de: el tiempo, la longitud de onda, etc. RUIDO El factor limitante final en la precisión y sensibilidad de cualquier método analítico instrumental, es la presencia de extraña señales no deseadas que se sobreponen a la señal generada por la substancia determinada analíticamente estas extrañas señales son llamadas RUIDO, siendo derivada la terminología de la radioingeniería, donde la presencia de dichas señales es reconocible en forma audible (estática). En la Figura 8 se representa el registro de un instrumento en el tiempo. El detector siempre está recibiendo señales debido al ruido. Estas señales deben ser mínimas comparadas con la señal del analito para así poder observar y medir esta con precisión.

12 Figura 8: Registro en el tiempo de las diferentes señales (analito y ruido) en un instrumento analítico. FUENTES DE RUIDO.- El ruido está asociado con cada componente de un instrumento, esto es: la fuente, el transductor, el procesador de señal, y el sistema de lectura. Adicionalmente el ruido generado por cada uno de estos componentes puede ser de diferentes tipos y generado de diferentes formas. Por lo tanto, el ruido observable es una mezcla compleja de señales indeseables, el cual no puede ser totalmente caracterizado. El ruido instrumental puede ser dividido en cuatro categorías generales: el ruido Jhonson o ruido térmico; el ruido por golpeteo de electrones; el ruido Flicker y el ruido ambiental. INSTRUMENTOS DE DOBLE HAZ Y DE HAZ SENCILLO INSTRUMENTO DE HAZ SENCILLO.- En este tipo de instrumentos se requiere de calibrar el aparato a cero de absorbancia (o 100% de transmitancia) con el blanco. Una vez ajustado se retira la celda con el blanco y se colocan las muestras y estándares que sí contienen la especie absorbente y se efectúa la lectura correspondiente. Estos equipos requieren de componentes estables y de alta calidad en la fuente, detector y amplificador. Los parámetros de ajuste iniciales (cero y 100% de transmitancia o cero a de absorbancia), deben permanecer estables durante periodos más o menos largos y hacer reajustes de estos parámetros periódicamente, si el instrumento se va a utilizar más de 30 minutos. Este tipo de espectrofotómetros es más barato que los de doble haz, y se pueden utilizar ampliamente si los resultados que se desean obtener no requieren de muy alta precisión. Un instrumento típico de haz sencillo o de un solo haz es el representado en la Figura 9:

13 Figura 9: Sistema de espectrofotómetro de haz sencillo. INSTRUMENTOS DE DOBLE HAZ.- En estos aparatos el haz es dividido, e incide tanto en la celda que contiene el blanco como en la celda que contiene la muestra. El detector compara estas dos señales continuamente o muchas veces en un segundo y efectúa la lectura relacionando la lectura de la muestra con la lectura del blanco. De esta manera se compensan las fluctuaciones que pudiesen existir por: ruido, variación de voltaje, variación en la intensidad de la fuente luminosa, etc. Obviamente estos instrumentos son más complicados y costosos. En la Figura 10 se muestra un diagrama de un espectrofotómetro de doble haz.

14 Figura 10: Diagrama esquemático de un espectrofotómetro de doble haz.