Clase 01 Intro

Análisis Instrumental Introducción al Análisis Instrumental

Introducción al Análisis Instrumental

Universidad de ColimaFacultad de Ciencias Químicas


- Generalidades

- Características de los métodos instrumentales

- Clasificación de los métodos instrumentales

- Componentes genéricos de los instrumentos de análisis

- Clasificación de métodos y ejemplos

- Señal y ruido. Fondo y deriva de una señal.

- Calibración

Temas:



- Comprender la importancia de conocer la estructura de los elementos químicos y

de las moléculas.

- Encontrar las diferencias entre los métodos clásicos y los métodos instrumentales

de análisis químico.

- Conocer la clasificación de los métodos instrumentales.

Objetivo:


Análisis Instrumental Introducción al Análisis InstrumentalGeneralidades/ Características de los métodos Instrumentales

Análisis cualitativo y cuantitativo

El objetivo de la Química Analítica es la determinar la composición química de la materia.El análisis cualitativo suministra información sobre las especies (analitos) presentes en una muestra.El análisis cuantitativo suministra información sobre la concentración de dichos analitos.

Métodos clásicos e instrumentalesLos métodos clásicos de análisis se basan en la medida directa de un volumen (volumetrías) o de un peso (gravimetrías) de un reactivo estándar que reacciona completamente con el analito.Los métodos instrumentales se basan en la medida de una propiedad física del analito (como su conductividad, potencial eléctrico, emisión o absorción de luz, fluorescencia, etc.), denominada señal analítica, que está relacionada con la naturaleza y la concentración de analito. Dichas medidas se llevan a cabo utilizando un instrumento que transforma la señal analítica en otra que pueda entender un observador (un número en una escala, un pico en un registrador, etc.)




Análisis por vía húmeda

Análisis usando Instrumentos

Clásicos

Instrumentales

Métodos Analíticos

Generalidades/ Características de los métodos Instrumentales



Análisis por vía húmeda

Generalidades/ Características de los métodos Instrumentales

- Color- Punto de ebullición- Punto de fusión- Solubilidad- Olor- Actividad óptica- Índice de Refracción

- Gravimetría

- Volumetría

Cualitativo

Cuantitativo



Componentes genéricos de los instrumentos de análisis

Que el alumno:

- Defina un instrumento analítico.

- Conozca el funcionamiento y componentes de un instrumento analítico.

- Conozca algunos ejemplos de métodos instrumentales.

Objetivo:




¿Qué es un Instrumento Analítico?

Es un dispositivo de comunicación entre el sistema objeto de estudio y el científico




¿Qué hace un Instrumento Analítico?

Transforma información relacionada con las propiedades físicas o químicas del analito en información que puede ser manipulada e interpretada por el ser humano

Señal transducida

(generalmente

eléctrica)

Análisis Instrumental Introducción al Análisis InstrumentalComponentes genéricos de los instrumentos de análisis

En otras palabras, transforma la señal analítica en otra señal que pueda ser entendida por un observador. Sus componentes son:

Generador de señales

Dispositivo de lectura

Procesador de señales

Detector(Transductor de entrada)

Señal analítica

Señal procesada o

de salida

Contador Registrador

Pantalla

-Generador de señales: produce una señal analítica, debido a la presencia de analito, proporcional a su concentración o cantidad-Detector: transforma la señal analítica en una señal generalmente eléctrica, que se modifica fácilmente-Procesador de señales: modifica la señal transducida para accionar el dispositivo de lectura (generalmente se amplifica la señal multiplicándola por k>1)-Dispositivo de lectura: convierte la señal procesada en una señal que pueda entender el observador (un número en una escala, un pico en un registrador, una imagen …)


Métodos eléctricos

Métodos ópticos

Análisis Instrumental Introducción al Análisis InstrumentalClasificación de los métodos Instrumentales

Los métodos instrumentales se clasifican en función de las propiedades físicas usadas como señal analítica:

-Emisión de radiación

-Cambio de las propiedades de un haz de radiación que atraviesa la muestra (absorción, refracción, dispersión, rotación)

-Medida de propiedades eléctricas (potencial, carga, corriente, resistencia)

-Otras (relación masa/carga, velocidad de reacción, propiedades térmicas, radiactividad)




Ejemplos de métodos instrumentales

Emisión de la radiación

- Espectroscopía de emisión

- Fluorescencia

- Fosforescencia

- Luminiscencia

- Ultravioleta- Visible- De electrones

- Rayos-X- Ultravioleta- Visible




Absorción de la radiación

- Espectroscopía y fotometría

- Espectroscopía fotoacústica

- Resonancia Magnética Nuclear

- Ultravioleta- Visible- Infrarrojo




Dispersión de la radiación

- Turbidimetría

- Nefelometría

- Espectroscopía RAMAN

Refracción de la radiación

- Refractometría

- Interferometría




Difracción de la radiación

- Difracción de rayos-X

- Difracción de electrones

Rotación de la radiación

- Polarimetría

- Dispersión rotatoria óptica

- Dicroísmo circular




Potencial eléctrico- Potenciometría

- Cronopotenciometría

Corriente eléctrica- Polarografía

- Amperometría

Carga eléctrica - Coulombimetría




Masa - Gravimetría

Relación masa/carga

Espectrometría de masas

- Impacto electrónico

- Ionización Química

- Electroespray

- FAB

Radioactividad- Activación isotópica

- Dilución isotópica




Propiedades Térmicas

- Gravimetría y volumetría térmica

- Calorimetría de barrido diferencial

- Análisis térmico diferencial

- Métodos de conductividad térmica



Señal y ruido.

Fondo y deriva de una señal



Señal y ruido. Fondo y deriva de una señal

Que el alumno:

- Conozca las diferencias entre señal y ruido.

- Establezca la diferencia entre una señal de fondo y una deriva.

Objetivo:

Análisis Instrumental Introducción al Análisis InstrumentalSeñal y ruido.

Señal y ruido

Las medidas analíticas constan de dos componentes:

-La señal, que lleva la información del analito de interés-El ruido, que se debe a las fluctuaciones aleatorias inherentes a la combinación del instrumento y el método analítico (IUPAC, Compendium of Analytical Nomenclature, 1997) y da una información ajena e indeseada. Influye en la exactitud y precisión de la medida así como aumenta el límite de detección del método.

El valor promedio del ruido (N) suele ser constante e independiente de la magnitud de la señal analítica (S), con lo que el error relativo de una medida aumenta al disminuir el valor absoluto de esta.

Señal Ruido Señal + Ruido


Análisis Instrumental Introducción al Análisis InstrumentalSeñal y ruido.

La calidad de un método analítico o del funcionamiento de un instrumento se describe a partir de la relación señal ruido (S/N). Se consideran imposibles de detectar las señales cuya relación señal ruido es inferior a 2 o 3

Relación señal/ruido

Es imposible eliminar completamente el ruido, pero es posible minimizar su efecto aumentando la relación S/N tanto a nivel de hardware (empleando componentes en el procesador de señales que eliminan o atenúan el ruido sin afectar a la señal) como de software (empleando programas informáticos capaces de separar las señales analíticas de un entorno ruidoso)

Tipos fundamentales de ruido:Ruido químico: proviene de la variación no controlable de las variables que afectan la química del sistema estudiado (variaciones en temperatura o presión que afectan al equilibrio químico, humedad en muestras sólidas, luz que afectan a materiales fotosensibles, etc.)Ruido instrumental: asociado a cada parte del instrumento. Puede deberse a fenómenos eléctricos del propio instrumento o en las variaciones en la radiación electromagnética del ambiente que es recogida por los componentes del instrumento (ruido ambiental)


Análisis Instrumental Introducción al Análisis InstrumentalFondo y deriva de una señal


Se define como fondo de una señal a la medida instrumental realizada en ausencia de analito. Esta medida no es siempre estable, sino que puede variar a corto plazo (por ejemplo, la deriva que aparece en una sesión de trabajo debido a que el equipo se va calentando) o variar en el transcurso de meses (debido al desgaste de piezas)



Pueden aparecer errores cuando cierta parte de la señal atribuida al analito se debe al fondo, confundiendo al observador. Es preciso realizar una corrección del fondo, midiendo la señal de un blanco de la muestra y restándola a la del analito en la misma. Debido a la presencia de deriva, el fondo puede aumentar o disminuir en el tiempo, por lo tanto, es conveniente medir varios blancos durante el análisis.

Si comparamos las señales de dos disoluciones de la misma concentración de analito, una acuosa y otra de una composición determinada y distinta a la anterior, se debe corregir el fondo para cada caso. El fondo de la muestra depende de la composición de la matriz de la misma (el medio en que se encuentra: el disolvente, especies en disolución...). No se debe confundir la matriz de una muestra con la presencia de interferencias (sustancias, de concentración variable, que dan una señal similar al analito)

Cuando el fondo es de una magnitud muy elevada (respecto a la señal del analito) es imposible corregirlo. Debido a las fluctuaciones de la señal del fondo puede llevar incluso a valores negativos de señal neta de analito.





Calibración



Calibración

Que el alumno:

- Conozca la importancia de la calibración.

- Conozca los tipos de calibración.

- Conozca y aplique las ecuaciones para calcular los parámetros de calibración.

Objetivo:

Los métodos clásicos son métodos absolutos cuando la cuantificación se basa en la comparación con patrones básicos (ej. la gravimetría, se compara con el kg) o pueden ser métodos estequiométricos (ej. La volumetría, existe una relación estequiométrica entre el analito y un agente valorante)

Los métodos instrumentales son métodos relativos pues se compara la señal del analito en la muestra con la señal obtenida con varios de dicho analito.

Análisis Instrumental Introducción al Análisis InstrumentalCalibración

Cuantificación

Muestra Pesa certificada

Kg patrón

Gravimetría

a baA bB A B

Valoración

Valorante B

Analito A Muestra

Instrumento

Patrones

Análisis Instrumental



Calibrado

Es el proceso mediante el que se obtiene una relación matemática (función analítica) entre la señal del analito y su concentración mediante la comparación con uno o más patrones. Si se trabaja en disolución, se entiende por patrón a una disolución de analito de concentración perfectamente conocida. Utilizando esta función analítica se puede calcular la concentración de analito en la muestra a partir de la señal medida. La expresión de esta función analítica se corresponde con la ecuación de una curva (curva de calibrado)

Siempre que sea posible se busca que la relación entre la señal analítica y la concentración del analito en los patrones sea lineal. Por eso hablamos de recta de calibrado.

Tipos de calibrado- Calibrado externo- Calibrado por adición patrón- Calibrado con patrón interno



Calibrado externo

Se lleva a cabo la comparación de señal de analito en la muestra con las obtenidas al medir una serie de patrones. Se representa la señal de los patrones frente a su concentración. La ecuación de la recta se calcula mediante el método de mínimos cuadrados

La señal de la muestra (Y0) se interpola en la recta de calibrado para obtener su concentración

Matemáticamente se resuelve sustituyendo Y0 en la ecuación de la recta y despejando el valor de concentración

0 0 /CE CE

CE CE

Y b X a

C Y a b



Adición patrón

Se realiza añadiendo cantidades crecientes y conocidas de analito a distintas porciones de muestra para construir la curva de calibrado (se debe incluir la muestra sin adición)

La concentración de la muestra se obtiene como el punto de corte de la prolongación de la recta en el eje de abscisas.Matemáticamente se iguala la señal a cero y se despeja la concentración (cambiando de signo)

0

00 0

;

0 ,

AP AP AP

AP AP

AP AP AP

Y b X a Y a

a Y aY X X X

b b b



¿Como comprobar si existe efecto matriz?



Patrón interno

Patrón interno

Analito

El patrón interno es una sustancia que debe ser lo más similar posible al analito pero no debe aparecer originalmente en la muestra, se añade por el observador. Su señal se debe medir de forma independiente a la del analitoSe preparan patrones del analito añadiendo una cantidad constante y conocida de patrón interno, que también se añade a la muestraSe representa el cociente de la señal

de analito entre la del patrón interno frente a la concentración de analito o el cociente de concentraciones de analito y patrón internoA partir de la relación de señales en la muestra se obtiene la concentración de analito (o la relación de concentraciones) por interpolación

Calibración



Se corrigen errores aleatorios de elevada magnitud, debidos a la preparación de la muestra, introducción de la muestra en el sistema de medida, etc

Patrón interno

Calibración



y bx a

2

n

i ii

n

ii

x x y yb

x x

a y bx

/

2( )

y xb n

ii

ss

x x

2

/2

n

ii

a y x n

ii

xs s

x x

Pendiente Ordenada

CalibraciónRecordatorio: método mínimos cuadrados


i

i i

Xi X Yi Yr

Xi X Yi Y

Coeficiente de correlación

y = 0.0536x - 0.0173R2 = 0.9996

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 20 40 60

[ppm]

A/A

PI

AMN

ProblemaEn una investigación sobre seguridad alimentaria, se determinaron 4 adulterantes en alimentos mediante HPLC-UV.Con los datos de áreas de la Amelina (AMN) y de patrón interno (RSC):

1.- Obtenga las áreas relativas para hacer una curva de calibración

2.- Calcule la ecuación de la curva

3.- Calcule el r

Áreas

PPM AMN RSC

0.65 34083.7 1046753.0

10 556637.1 1091952.9

20 1065802.2 1035328.8

30 2190532.0 1356624.6

40 3727787.7 1765675.9

50 5233160.1 1959973.2

PPM AMN/RSC

0.65 0.03

10 0.51

20 1.03

30 1.61

40 2.11

50 2.67

25.11 1.33

2.- Calcule la ecuación de la curva

2

n

i ii

n

ii

x x y yb

x x

Media

y bx a

ix x

0.65 - 25.11 -24.46

10 - 25.11 -15.11

20 - 25.11 -5.11

30 - 25.11 4.89

40 - 25.11 14.89

50 - 25.11 24.89

0.03 – 1.33 -1.30

0.51 – 1.33

1.03 – 1.33

1.61 – 1.33

2.11 – 1.33

2.67 – 1.33

iy y

i ix x y y -24.46 * -1.30 31.68

Suma 92.04

2

n

i ii

n

ii

x x y yb

x x

2ix x

0.65 - 25.11 -24.46 598.21

10 - 25.11

20 - 25.11

30 - 25.11

40 - 25.11

50 - 25.11

Suma 1718

ix x ix x

b = 92.04/1718= 0.0536

a y bx a = -0.017

2

n

i ii

n

ii

x x y yb

x x

3.- Calcule el coeficiente de regresión lineal

ix x

0.65 - 25.11 -24.46

10 - 25.11

20 - 25.11

30 - 25.11

40 - 25.11

50 - 25.11

0.03 – 1.33 -1.30

0.51 – 1.33

1.03 – 1.33

1.61 – 1.33

2.11 – 1.33

2.67 – 1.33

iy y

i ix x y y -24.46 * -1.30 31.68

Suma 92.04

i

2 2

i i

Xi X Yi Yr

Xi X Yi Y

2ix x

0.65 - 25.11

-24.46 598.21

10 - 25.11

20 - 25.11

30 - 25.11

40 - 25.11

50 - 25.11

Suma 1718

ix x ix x

i

2 2

i i

Xi X Yi Yr

Xi X Yi Y

0.03 – 1.33 -1.30 1.68

0.51 – 1.33

1.03 – 1.33

1.61 – 1.33

2.11 – 1.33

2.67 – 1.33

Suma 4.93

iy y iy y 2

Yi Y

i

2 2

i i

Xi X Yi Yr

Xi X Yi Y

(1718 * 4.93) ^ 1/2 92.03

92.04

r= 0.9997

y = 0.0536x - 0.0173R2 = 0.9996

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

0 20 40 60

[ppm]

A/A

PI

AMN

Investigar como se calculan los:

LÍMITES DE DETECCIÓN

LÍMITES DE CUANTIFICACIÓN

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