División Analítica...Espectroscopia en el Ultravioleta -Visible Conceptos Básicos.-Energia.-Cuando la Radiación Electromagnética interacciona con átomos y moléculas ya no es

CORTESIA DE : Electromédica Peruana S. A.División AnalíticaDpto. Espectroscopia

Espectroscopia en el Ultravioleta - Visible

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleConceptos Básicos.-

Espectroscopia.-Medición e interpretación defenómenos de absorción,dispersión o emisión deradiación electromagnéticaque ocurre en átomos,moléculas u otras especiesquímicas. La absorción oemisión están asociadas alos cambios de estadoenergéticos de laspartículas actuantes.


Espectroscopia Molecular.-

Se refiere exclusivamente a losfenómenos de absorción,dispersión o emisión, asociadosa especies moleculares. Estosfenómenos implican cambiosenergéticos a nivel de losorbitales de enlace en la capamas externa, y los patrones decambio en los estados detransición suelen ser de bajaenergía y de muy pocadiferencia entre ellos.


Radiación Electromagnética.-

Es la Energía que setransmite por el espacioa enormes velocidades.Adopta muchas formas(Ejem. Luz, calor , RayosX, Radiación g, UV, mW,etc.)


Características de la Radiación Electromagnética.-

• Longitud de Onda.• Frecuencia.• Velocidad.• Amplitud.• No necesita medio de

propagación.• Comportamiento Dual:

Onda y Partícula


Características de la Radiación Electromagnética.-

Modelo tipo onda:Presenta como parámetros ondulatorios: Amplitud (A), Periodo (P), Longitudde Onda (l), Frecuencia (n, 1/P).

Tiempo

PPeriodo

Longitud de Onda (l ) Amplitud (A)


Energia.-

Cuando la Radiación Electromagnética interacciona con átomos ymoléculas ya no es posibles explicar sus atributos mediante la TeoríaOndulatoria y es mejor considerarla como partículas de energíallamadas “Fotones”.En este caso, se observa que la frecuencia de la radiaciónelectromagnética es proporcional a la energía del Fotón.La constante de Proporcionalidad se denomina “Constante de Planck(h)”. Cuantitativamente esta constante se relaciona con la frecuenciade la siguiente forma:

E = h.n

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleConceptos Básicos.-Energía.-

La Energía de los Fotones también se relaciona con la Longitud deOnda de la Radiación. Como la velocidad de la Luz puede medirsesegún la ecuación:

c = l.nentonces, la energía de un Fotón puede calcularse a partir de lasiguiente ecuación:

E = (h.c)/l(las unidades de energía pueden ser Ergios o Joule.seg)


Transformaciones de la Energía.-

Como indica el principio deconservación de la energía:“La suma de todas las formasde energía que ingresan a unamuestra debe de ser igual a laenergía que sale de ella, más laenergía que quede en elmaterial”.Los resultados de lasinteracciones de un átomo omolécula con sus alrededores ycon la luz puede representarsepor la figura de la derecha.


Transformaciones de la Energía.-

La Energía penetra en el átomo ysale de el en forma de luz, calor yenergía cinética de partículascomo los electrones.Como la luz puede transformarseen calor, la longitud de onda dela luz emitida puede ser maslarga (de menor energía) que lalongitud de onda que excita alos átomos, y la energía restantese empleará para calentar elátomo y sus alrededores.

hnEntrada

e-Entrada

e-Salida

(Efecto Fotoeléctrico, Emision Termoelectrónica, Electrones Secundarios) kbTsalida

(Perdida de energia no radiante)

kbTEntrada

hnSalida(luminiscencia,

emisión)


Espectro de la Radiación Electromagnética

l (m) 10-11 10-9 10-7 10-5 10-3 10-1 10

Rayos g

Rayos X

Ultravioleta Infrarrojo

Ondas Hertzianas (radio,TV)

Microondas

400 500 600 700 800 l (nm)

Violeta Azul Verde Amarillo Naranja Rojo

Visible


Es posible separar radiación de una sola longitud de onda?

No. Sin importar el métodoque se emplee paraproducir cualquier longitudde onda específica oseleccionar una longitudde onda “única”, de unaamplia gama de longitudesde onda, lo más que sepuede hacer es aislar unIntervalo de Longitudes deOnda muy cercano al valordeseado.

H

H2

Ancho de Banda

espectral

Longitud de Onda Nominal

Longitud de onda (nm)

Pote

ncia


Y el termino “Luz Monocromática”?

El termino “Luz Monocromática” (un solo Color), no significa que laradiación tenga una sola longitud de onda. Luz Monocromáticasignifica que la radiación presenta un ancho de banda espectralFinito.

El intervalo de Longitudes de onda de la radiación, es el ancho deBanda?No. El intervalo de Longitudes de Onda se denomina “PurezaEspectral” y es una medida Cuantitativa del intervalo de Longitudesde Onda de la radiación. El ancho de Banda es un número que nosindica en forma cuantitativa el intervalo de estas longitudes de onda.El Ancho de Banda Espectral también se denomina “Ancho de Líneaespectral”.


Y ... como se miden estos valores?

La medición cuantitativa quese emplea es el Ancho de laBanda en el puntointermedio entre la líneabase y el máximo (esto sedenomina “Ancho Total a laMitad de la Altura” o “AnchoTotal a la Mitad del Máximo”.

H

H2

Ancho de Banda

espectral

Longitud de onda (nm)

Longitud de Onda Nominal

Pote

ncia

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleConceptos Básicos.-En resumen, debe de recordarse que:

1 Es posible producir radiación con un ancho de bandaangosto a determinadas longitudes de onda.

2 La intensidad luminosa puede medirsecuantitativamente con un ancho de banda angosto.

3 La longitud de onda puede modificarse de maneracontinua y sin saltos en determinados intervalos delongitud de onda. Este método se denomina “Barrido”(Scan en ingles).

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleConceptos Básicos.-Que es la Rejilla Espectral y Ancho de Rejilla Espectral?

La Rendija Espectral o también denominado “SLIT”, es un corte enuna barra de metal que permite el paso de luz desde la fuente hacia eldetector. Las rejillas se presenta en forma par (Slit de entrada y Slit desalida), y en la mayor parte de los instrumentos modernos controladospor PC, estas rendijas son intercambiables en forma automática adiferentes tamaños. La barra se Slit se controla mediante pulsos paraintercambiar posiciones, no tamaño de abertura. El ancho de Slit enestos instrumentos puede variar hasta en 5 tamaños de Slit.

El Ancho de la Rendija Espectral es el tamaño de esta abertura, la cualse mide en nanómetros. El ancho de la rendija Espectral utilizadocomúnmente es de 1 nm, pero según la aplicación la rendija puede sermayor o menor tamaño (5 nm la mas alta y la mas baja de 0.1 nm).


Cual es la relación entre el Ancho de Banda Espectral y el Ancho deRendija Espectral?

Observe la figura de la parte inferior, en ella se observa la fuenteluminosa y la Rendija de Entrada y Salida de radiación. La radiaciónpasa atraves de la Rendija de entrada y luego se dispersa. Lasdiferentes longitudes de onda se propagan en diferentes ángulos, ysolo un estrecho intervalo de longitud de onda atraviesa la Rendijade Salida.

Fuente LuminosaElementoDispersor Detector

Slit de Entrada Slit de Salida


Cual es la relación entre el Ancho de Banda Espectral y el Ancho deRejilla Espectral?

Las diferentes longitudes de onda sepropagan en ángulos diferentes, pero solo unestrecho intervalo de longitudes de ondapasan a través de la Rendija de Salida.

Es evidente que el Ancho de la BandaEspectral depende del Tamaño de la Rendijade Salida.



Pero el ancho de la banda espectral tambiéndepende de la amplitud de la dispersión de laradiación y de la distancia entre el elementode dispersión y la rendija de salida. Para unancho de Rendija fijo, el ancho de la BandaEspectral, que pasa a través de la rendija desalida solo depende de la longitud de onda dela radiación.



U

A medida que la rendija es mas amplia, elpoder espectral que la atraviesa es mayor y elancho de banda espectral también aumenta.Siempre hay que tener en cuenta que cuandose incrementa la Potencia espectralempleando una rendija mas ancha, se reducela pureza del espectro.

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleConceptos Básicos.-Que es Resolución y Potencia de Resolución?

“Potencia de Resolución” es el termino que se utiliza parareferirse a la capacidad del instrumento para separarlongitudes de onda.

La “Resolución” se refiere a la separación entre laslongitudes de onda del espectro.

La Potencia de Resolución se refiere al instrumento,mientras que la Resolución se refiere solo al espectro.

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleConceptos Básicos.-Que es Resolución y Potencia de Resolución?

Dl

l1 l2

Valle del 90%Pote

ncia

La figura de la derecha nos daun ejemplo de la resoluciónde dos radiaciones delongitudes de onda cercanas.El ejemplo nos indica que elespectro obtenido presentauna resolución “X” con unvalle al 90%. Esto significaque se considera que lospicos están resueltos cuandola profundidad del valle es del90% de la altura de los dospicos iguales.

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleConceptos Básicos.-Medición de Espectros

La medición de Espectros o “Scan” (rastreo), depende de maneraíntima tanto de la las propiedades espectrales de la muestra como delinstrumento que se emplea para la medición.

En el instrumento, se dirige la mayor cantidad posible de radiaciónhacia un Monocromador de barrido. Este Monocromador enfocaradiación de diferentes longitudes de onda en forma continua yordenada (ascendente o descendente), sobre la muestra. Estasradiaciones son absorbidas emergen de la muestra hacia la rendijade salida y de allí al detector. El detector recibe la señal y latransforma a valores numéricos que la PC registra en forma ordenadaen una gráfica de Longitud de Onda vs. Energía radiante (Espectro deAbsorción).

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleConceptos Básicos.-Medición de EspectrosProceso de Scanning:

Fuente LuminosaElementoDispersor

Slit de Entrada

Detector

Electromédica Peruana S. A.

División Analítica

Slit de Salida

Celda de Muestra


Y... Como varia el espectro con respecto al cambio de tamaño delSlit?Observe los siguientes espectros:

Pote

ncia

l

Pote

ncia

l

(a) (b)

Pote

ncia

l

Pote

ncia

l

(c) (d)

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleConceptos Básicos.-Medición de EspectrosEl detector responde únicamente a la potencia luminosa total queingresa a el, y no efectúa una discriminación efectiva de longitudesde onda. Como resultado de ello, el detector saca un promedio de lapotencia que llega a todas las longitudes de onda que atraviesan elmonocromador.

Detector

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleConceptos Básicos.-Medición de EspectrosEn consecuencia , a medida que el monocromador barre a través de lalongitud de onda, y cuando el borde de la rendija llega al intervaloespectral del máximo, la potencia promedio que cae a el detectoraumenta.

Esto se observa como una elevación en el nivel de potencia antes deque la longitud de onda nominal del pico definido llegue a la base delpico definido.

Detector

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleConceptos Básicos.-Medición de EspectrosCuando la longitud de onda nominal llega al sensor, este marca lamáxima potencia y se registra el máximo de absorción.

Detector

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleConceptos Básicos.-Medición de EspectrosCuando la Longitud de onda nominal del Pico definido llega al centrode la rendija parece que el punto mas alto (la potencia más alta) delpico se reduce, ya que el detector saca el promedio de la potenciamáxima y de los puntos que se encuentran a una potencia inferior aambos lados.

Detector

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleConceptos Básicos.-Medición de EspectrosCuando se optimiza el ancho de la rendija, el espectro se asemejamucho a la cubierta de absorción, como se muestra en la figura (a).

Pote

ncia

l

Pote

ncia

l

(b)(a)

Si se emplea una rendija más angosta, la menor potencia que llega aldetector implica que la contribución del ruido comienza a oscurecerel espectro (como se observa en la figura b).

Pote

ncia

l

Pote

ncia

l

(c) (d)


A medida que la rendija se hace más ancha que el óptimo, el anchoespectral es mayor que el máximo definido y el pico agudo adquiereuna apariencia mas ancha y mas baja (como se puede ver en c y d).

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleConceptos Básicos.-Que es la Espectrometría de Absorción?

Es la parte de la Espectroscopia que se encarga de llevar a cabomediciones cuantitativas, midiendo la fracción de luz de unadeterminada longitud de onda que atraviesa por la muestra

Fuente LuminosaElementoDispersor

Slit de Entrada Slit de Salida

Muestra

Detector

Señal

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleConceptos Básicos.-Como se lleva a cabo el análisis por Absorción?

Para llevar a cabo el análisis, se efectúan dos mediciones de lacantidad de luz absorbida:

1) Se mide la cantidad de luz (a una longitud de onda elegida), quecae al detector al introducir un blanco al aparato (Potencia delHaz Po). Es decir, se mide la potencia de la energía cuando laconcentración de la muestra es igual a Cero.

2) Se mide la cantidad de la luz cuando se colocan analitos omuestras de calibración (estándares) y se comparan con lamedición del blanco. Sea la Potencia de este Haz de energía iguala P.

Se efectúan comparaciones entre la relación P/Po

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleConceptos Básicos.-Como se lleva a cabo el análisis por Absorción?

Hay tres términos distintos para expresar dicha proporción:

Transmitancia.-T = P

Po

% Transmitancia.-%T = 100 x T

Absorbancia.-A = P

Po- Log

A = - Log T

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleConceptos Básicos.-Absorbancia y Concentración.-

La Absorbancia de una muestra es proporcional a la cantidad total delmaterial que absorbe la luz incidente. Es decir:

A = a x b x c

En donde:

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

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleConceptos 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”. Laecuación pasa a ser entonces:

A = e x b x c

El Valor de e depende de la longitud de onda de medición, por lo quee comúnmente debe de notarse con la longitud de onda de trabajo.

Por ejemplo:

el(nm) a 530 se escribe como e530

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleConceptos Básicos.-Aspecto Matemático de la Ley de Lambert - Beer.-

Po

b

P

Consideremos un bloque de materia absorbente (Sólido, Líquido oGas), como el que se muestra a continuación:


Se observa que:

• El haz paralelo de radiación monocromática depotencia Po incide perpendicularmente a la superficiedel bloque.

• El haz de radiación atraviesa una longitud “b” delmaterial que contiene “n” partículas absorbentes(átomos, iones o moléculas).

• La potencia del haz disminuye a un valor P a causa dela absorción.


b

dx

Po

PS

Consideremos ahora una sección transversal del bloque del materialabsorbente (Sólido, Líquido o Gas), con un área “S” y un espesorinfinitesimal dx.


Se observa que:

• Dentro de la sección hay “dn” partículas absorbentes,cada una con una superficie de absorción fotónica decaptura inmediata.

• La proyección del área total de esta superficie decaptura dentro de la sección se designará como “dS”.

• La relación entre el área de captura y el área total estadada por dS/S. Esta relación representa la probabilidadde captura de fotones dentro de la sección.


De las observaciones se desprende que:

• La potencia del Haz Px que ingresa en la sección esproporcional al número de fotones por cm2-seg.

• dPx representa la cantidad de fotones por segundo,eliminados dentro de la sección.

• Entonces la fracción de fotones absorbidos puederepresentarse como: - dPx/Px. Esta relación es igual a laprobabilidad media de captura. El signo menos deltérmino, indica que P experimenta disminución.


De esta forma, podemos deducir que:

dPxPx

- =dSS

............ (1)

Pero como dS representa la suma de las áreas de capturade las partículas dentro de la sección, esta debe de serproporcional al número de partículas:

dS = a.dn ............ (2)Donde dn es el número de partículas y a es una constantede proporcionalidad, que puede denominarse “SecciónTransversal de Captura”.


Combinando las ecuaciones (1) y (2) tenemos:

dPxPx

- =a.dn

S

Integrando la ecuación desde Po a P, obtendremos:

PPo

- =a.nS

Ln


Convirtiendo la fracción en logaritmos de base 10 einvirtiendo la ecuación para cambiar el signo, obtenemos:

Donde n es el número total de partícula dentro delbloque.

PPo =

a.n

2.303SLog ............ (3)


Aspecto Matemático de la Ley de Lambert - Beer.-

El área de la sección transversal S puede expresarse entérminos de volumen V del bloque en cm3 y de sulongitud “b” en cm. De esta forma:

S =Vb

............ (4)

Sustituyendo la ecuación (4) en (3), obtenemos:

PPo =

a.n.b

2.303VLog ............ (5)


Aspecto Matematico de la Ley de Lambert - Beer.-

Pero la relación n/V tiene unidades de concentración(número de partículas por cm3) y puede convertirse enmoles/Litro utilizando el número de Avogadro:

Número de Moles =n partículas

6.023 x 1023 partículas/mol

Número de Moles =n Mol

6.023 x 1023


Transformando a concentración en Moles/Litro:

Concentración = n6.023 x 1023

Mol x1000 cm3/L

V cm3

Concentración = 1000.n6.023 x 1023

Mol/L ............ (6)

Combinando la ecuación (6) en (5), obtenemos:

PPo =

6.02 x 1023(a.b)2.303 (1000)

Log


Finalmente, si agrupamos todas las constantes de laecuación como un solo término (e), obtendremos:

PPo = e . a . bLog

En otras palabras:

PPo = e . a . bLogAbsorbancia =

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleInstrumentación.-Que es un Espectrofotómetro UV - Visible?

Es un instrumento óptico quepresenta la capacidad de“resolver” radiaciones dediferentes longitudes de onda,dentro del Rango Ultravioleta yVisible.

Este rango, por lo general seencuentra dentro de los valoresde 190 a los 1100 nm.

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleInstrumentación.-De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? Un Espectrofotómetro UV - Visible presenta los siguientescomponentes:

• 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.

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleInstrumentación.-De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? Fuente de Radiación.-

Los Espectrofotómetros UV - Visible por lo general constan dedos fuentes de radiación:

* La Lámpara de Tungsteno - Halógeno

* La Lámpara de Deuterio (D2).

Ambas lámparas presentan diferentes características deconstrucción y trabajo. El uso de una de ellas o de las dos(simultanea o alternadamente), dependen básicamente del analitobajo estudio y del rango de observación que ha de realizar el analistapara su trabajo.


La Lámpara de Tungsteno Halógeno:

Utilizan un Filamento hecho deTungsteno, presentan ventanas de salidade radiación hechas de cuarzo, elinterior de las lámparas se encuentranrellenas con una pequeña cantidad deHalógeno en fase vapor (por lo generalYodo o Bromo). Están completamenteselladas. Cuando el filamento deTungsteno se calienta, este se sublima yen presencia del Halógeno inicia el“Ciclo Halógeno”.

W

W + nX WXn

WXn

WXn nX

Pared de la Lámpara (Cuarzo)

Filamento de Tungsteno

El ciclo Halogeno se expresa mediantela siguiente ecuación:

W + nX WXnLámpara a baja Temperatura

Lámpara a alta Temperatura

W = Tungsteno.X = Halogeno.

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleInstrumentación.-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 enlos 1200 nm. Presentan tiempos de vida mayores en un 50% más que las lámparasconvencionales y su brillo es 75% mayor.

Inte

nsid

ad

La intensidad baja debido a que la superficieinterna de la lámpara se recubre de Tungsteno.

El Filamento de Tungsteno serompe

Tiempo(Horas)500

Inte

nsid

ad

La intensidad de la lámpara no decrece debido a que la superficieinterna de la lámpara no se recubre de Tungsteno

El Filamento de Tungstenose rompe

Tiempo(Horas)2000

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleInstrumentación.-De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? Fuente de Radiación.-La Lámpara de Deuterio:

Estas lámparas presentan unaventana de Transmisión hecha decuarzo y se encuentran rellenas conDeuterio en su interior. El rango detrabajo de estas lámparas partedesde los 180 hasta los 400 nm.Estas lámparas presentan la ventajade poseer un espectro continuo eneste rango y dos líneas de emisiónmuy fuertes a 486.0 y 656.1 nm, lascuales se utilizan frecuentementepara verificar la performance de losinstrumentos.

Inte

nsid

adTiempo(Horas)

500 500

Io

Io/2

Io/4

Lámpara de Deuterio


La Lámpara de Deuterio y la Lámpara de Tungsteno - Halógeno

Inte

nsid

ad

La intensidad baja debido a que la superficieinterna de la lámpara se recubre de Tungsteno.

El Filamento de Tungsteno serompe

Tiempo(Horas)500

Inte

nsid

ad

La intensidad de la lámpara no decrece debido a que la superficieinterna de la lámpara no se recubre de Tungsteno

El Filamento de Tungstenose rompe

Tiempo(Horas)2000

Inte

nsid

ad

Tiempo(Horas)500 500

Io

Io/2

Io/4

Lámpara de Deuterio

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleInstrumentación.-

De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? El Sistema Monocromador.-

Es un conjunto de elementos ópticos que se encarga de separar yseleccionar la radiación de la longitud de onda analítica bajo estudio.En otras palabras, el Monocromador es la parte del que dispersa laradiación 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).

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleInstrumentación.-De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? Lentes y Espejos.-

Por lo general estos lentes están hechos de un material plásticorecubiertos por un baño de Plata o de cualquier otra superficiealtamente reflectante. Los lentes son Biconvexos y por lo generalse encuentran por pares, ubicados a la entrada y salida deradiación, (antes de la muestra y después de ella). La principalfunción de los Lentes es la de enfocar la radiación hacia diferentespartes del instrumento (Celda de muestra, Monocromador,Detector).

Ya que los espejos y lentes presentan casquetes esférico, estosdeben presentar corrección para la aberración en su construcción.

Radiación de 550 ± 2.5 nm

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleInstrumentación.-De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? El Sistema Monocromador.-Ranuras de Apertura.-

Las Ranuras de apertura (Slit) sonespacios vacíos muy finos ydiscretos que permiten el paso deun haz de radiaciónmonocromática. Estas Ranuras deEntrada no solo permiten el pasode radiación monocromática devalores discretos, si no quetambién impiden el paso deradiación de diferentes longitudesde onda que no se deseen para elanálisis.

5 nm

Radiación de 540 a 560 nm

Radiación objetivo: 550 nm

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleInstrumentación.-De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? El Sistema Monocromador.-

Ranuras de Apertura.-Idealmente, el tamaño del Slit seselecciona para que sea la décima partedel ancho del pico de interés. Este valorse toma debido a que el haz deradiación que emerge delmonocromador no es 100% puro (lalámpara de Tungsteno emite radiaciónen todo el rango). En realidad, laradiación que emerge delmonocromador es de un determinadorango de longitudes de onda muycercanos al valor deseado.

Pote

ncia

l50 nm

5nm



Ancho Medio de Banda Espectral

(1 nm)

1/2

500 502 l (nm)498

Ener

gía

de la

Rad

iaci

ón

Rango de radiación que pasa por el Slit de salida

Ranuras de Apertura.-El ancho de la banda espectral a lamitad de la altura de la radiación demás alta energía se denomina “AnchoMedio” de la banda espectral. LaAbsorbancia depende de este AnchoMedio ya que la Absortividad Molar(en la ley de Lambert y Beer), dependede la longitud de onda. Por ejemplo,las longitudes de onda presentes enun haz de radiación de 500 nm con unancho de banda de 2 nm oscila desdelos 498 a los 502 nm, pero el AnchoMedio de la Banda es de ± 1 nm (esdecir 499 a 501 nm a lo más).



Ranuras de Apertura.-Como se escoge el valor del Slit delinstrumento?

Por lo general se toma la décima partedel valor del ancho medio de la bandaespectral del analito. Si el ancho delSlit es demasiado estrecho laradiación que emerge de ella puedeno tener la energía suficienteoriginando altos niveles de ruido yuna muy baja precisión fotométrica,como se observó en una de lasdiapositivas mostradas.500450 550

l (nm)

Ancho Medio de 100 nm

1/2

1

Abs

orba

ncia


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.

14 nm

1/22 nm 1/4

1 nm

Ancho de Banda :Area :Energía :

111


1/21/41/4


1/41/161/16



Elemento Dispersor.-Es la parte del Monocromador que separa la radiación Policromática en suscomponentes mas simples en rangos de longitud de onda estrechas.

Existen 3 tipos de elementos dispersores utilizados en los espectrofotómetrosUV/Visible, los cuales son:

• Filtros de Interferencia.

• Prismas de Cuarzo.

• Rejillas de Difracción.



Elemento Dispersor.-Filtros de Interferencia:

Los Filtros de Interferencia sonplacas de vidrio (simples o encombinación), que se encuentranrecubiertas con sustancias coloranteso pigmentos que absorben radiaciónen determinados rangos delongitudes de onda, dejando pasarsolo bandas estrechas de radiación.Otro tipo de filtros se construyenintercalando una placa de cuarzo yuna de un gel que contiene elcolorante de absorción, seguida deotra placa de vidrio empapada en otrocolorante o pigmento.

Placa de Cuarzo

Gel con AbsorbentePlaca de Cuarzo con Absorbente



De esta forma, pueden separase rangos estrechos delongitudes de onda, y seleccionando el filtro adecuadopuede trabajarse en rangos específicos. Esta selecciónse hace más fácil aun, ya que solo 5 tipos de filtroscubren la mayor parte de las aplicaciones cuantitativas.

Pero, por lo general, el Ancho de la banda espectral quese obtiene con este tipo de sistemas es de 30 a 50 nm.

Elemento Dispersor.-Filtros de Interferencia:



Las principales ventajas que presenta este elemento dispersor son:

• No requieren de montajes ni sistemas mecánicos complicados para laselección de la longitud de onda de trabajo.

• Debido a que no utilizan Ranuras de entrada y salida, la potencia del haz queemerge del filtro es alta.

Elemento Dispersor.-Ventajas y Desventajas de usar Filtros de Interferencia

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.

q

q



Elemento Dispersor.-Prismas:Son piezas de cuarzo con dimensiones yformas específicas y con índice derefracción característicos. Estos prismasestán diseñados exclusivamente para untipo de Monocromador.

Por lo general son piezas Trapezoidalesque pueden estar o no recubiertas de unaplaca altamente reflectante. Debido a quela refracción de radiación depende delíndice de refracción del medio queatraviesa, los prismas se constituyen enelementos dispersores de gran eficacia.



Elemento Dispersor.-

Prismas:La figura de la izquierda nosmuestra un Monocromador queutiliza un Prisma como separadorde radiación. El sistema que seobserva es el montaje de Litrow.En este sistema, el Prisma secoloca en un ángulo de 30grados.

Prisma Superficie Reflectante

Fuente de Radiación

Slit de Entrada

Slit de SalidaEspejo Esférico




• Un Prisma cubre un amplio rango de Longitudes de onda (desde 185 hastalos 2500 nm).

• No se requieren filtros de corte como en los monocromadores de Rejilla dedifracción.

• Un Monocromador de Prisma asegura una alta dispersión con una altaresolución en el rango Ultravioleta (desde los 185 hasta los 300 nm).

Elemento Dispersor.-Ventajas de usar Prismas




• Se requiere un complicado sistema para obtener una escala lineal delongitud de onda. Esto se debe a que la dispersión del prisma varíacon la longitud de onda.

• No puede obtenerse una resolución uniforme a un determinadoancho de banda fija. Esto se debe a que la la dispersión del prismano es lineal.

Elemento Dispersor.-Desventajas de usar Prismas



Elemento Dispersor.-Rejilla de Difracción:

Un Monocromador de Rejilla de Dispersiónutiliza una pequeña placa (por lo general 1x 1 cms), que presenta característicasespeciales. Esta placa por lo general sedenomina Rejilla o Grating. Estas rejillaspresentan en su superficie una serie dedientes escalonados, uno tras otro, de talforma que forman una superficiedensamente poblada (cerca de 500 a 2000dientes por milímetro cuadrado). Estosdientes presentan una posición y ánguloespecífico.

q

i

a

d

RadiaciónPolicromática

l (m = 1)

Superficie de Aluminio

Resina Sintética

Placa de Vidrio

l (m = 2)



Elemento Dispersor.-Rejilla de Difracción:

q

i

a

d

RadiaciónPolicromática

l (m = 1)

Superficie de Aluminio

Resina Sintética

Placa de Vidrio

l (m = 2)

ml = d(Sen i + Sen q)

El ángulo a (ángulo de inclinación delos dientes de la rejilla de difracción),se denomina “Angulo de Cuchilla”.Muchas de las rejillas de difraccióncomerciales son replicas de lasrejillas maestras.

Cuando un haz de radiación chocacon una de estas rejillas, el haz esdispersados en diferentes ángulos,(dependiendo de la longitud de onda),de acuerdo a la siguiente ecuación:




• Una rejilla de difracción asegura una mayor dispersión, con mayor resolución en elrango 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 esdespreciable.

• Con un ancho de Slit constante, la resolución es casi constante con respecto a lalongitud de onda. Esto se debe a que la rejilla de difracción proporciona la mismadispersión en un rango amplio de longitudes de onda.

• Con el uso del mecanismo de Barra de Senos, el movimiento de la rejilla dedifracción se asegura una escala lineal de longitudes de onda.

Elemento Dispersor.-Ventajas de usar Rejillas de Difracción




“La principal desventaja que presenta el usar un Monocromador de Rejilla esque se requieren filtros de corte para evitar espectros emergentes de mayororden y la intensidad de la radiación de la energía que emerge delMonocromador hacia el Slit de Salida es de menor potencia”.

Elemento Dispersor.-Desventajas de usar Rejillas de Difracción


De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? El Sistema Monocromador.-Elemento Dispersor.-Rejillas de Difracción y el Mecanismo de la Barra de Seno

l = 2dSen i

Para simplificar la explicación de lo que es un mecanismo de barrade seno, tomaremos como referencia un Montaje de Litrow, en elcual el ángulo de radiación incidente sea el mismo que el ángulo deDifracción (i = Angulo incidente, q = Angulo de difracción).

De esta forma, la ecuación:

ml = d(Sen i + Sen q)

Se transforma en:


De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? El Sistema Monocromador.-Elemento Dispersor.-Rejillas de Difracción y el Mecanismo de la Barra de Seno

XA

Motor

Rejilla de Difracción

Slit de Entrada

Slit de Salida

iq

500 nm

Contador de Longitud de

Onda

La ecuación describe que la longitud de onda esproporcional al Seno del ángulo incidente.Obsérvese el gráfico de la derecha, en el se seve que el mecanismo de la barra de senodescribe la siguiente ecuación:

Sen i = (X/A)

Combinando la ecuación anterior con estaúltima, obtenemos:

l = (2d)(X)/A

Lo que indica que la l onda es proporcional almovimiento de la distancia X, proporcionandouna escala lineal de longitud de onda.

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleInstrumentación.-De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? El Sistema Monocromador.-Elemento Dispersor.-

Montaje Litrow Czerny - Turner

Czerny - Turner de Tipo Cruzado Monk - Gillson

La siguiente figura muestra los sistemas Monocromadores más usados.

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleInstrumentación.-De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? El Sistema Monocromador.-El Divisor de Haz.-El divisor de haz (BeamSpliter) es la parte delinstrumento que se encargade dividir el haz de radiaciónen dos haces, los cuales seintercalan en forma ordenaday a frecuencia constante,generando dos caminos opasos ópticos denominados:Haz de Muestra y Haz deReferencia (o Haz de Control).

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleInstrumentación.-De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? El Sistema Monocromador.-El Divisor de Haz.-

La Finalidad de dividir el Haz esla de monitorear en forma casicontinua la absorción de laMuestra como la de la Referencia.De esta forma, cualquier cambioque se produzca en el sistema(eléctrico, químico, físico), afectetanto a la referencia como a lamuestra.

De esta forma la corrección porcualquier tipo de variación serealiza en forma instantánea yefectiva.

Cual es la finalidad de dividir el haz de radiación en dos?


De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? El Sistema Monocromador.-Elemento Dispersor.-Tipos de Divisores de Haz

(a) (b)

Espejo de Malla o Tipo Malla

(c)

(d) (e) (f)

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleInstrumentación.-De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? El Sistema Monocromador.-Elemento Dispersor.-Tipos de Divisores de Haz

(g) (h)

(j)(i)

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleInstrumentación.-De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? La Celda y el Compartimento de Celdas.-

El Compartimiento de Celdas es la parte física delinstrumento en la cual se alojarán las celdas deabsorción. Este por lo general es un espacio quepresenta uno o más contenedores de muestra (fijo oautomático), y las aberturas para los lentes ópticos.

El compartimiento de muestras por lo general seencuentra recubierto de una pintura de recubrimientono volátil, oscura y de muy baja reflexión, lo cual la hacealtamente absorbente a un amplio rango de radiaciones.

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleInstrumentación.-De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? La Celda y el Compartimiento de Celdas.-

El Compartimiento de Celdas debe deestar diseñado para alojar una serie deaccesorios opcionales (como porejemplo: Esfera de Integración,Microceldas, Sipper, etc).

Las celdas que se utilizan en elespectrofotómetro por lo general estánhechas de Vidrio o Cuarzo, pero si laaplicación requiere rango Visible, y elsolvente es agua, pueden utilizarseceldas de Plástico descartable.

Las dimensiones de estas celdas varíansegún la aplicación, pero las máscomunes son las de 1 cm de paso óptico.

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleInstrumentación.-De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? La Celda y el Compartimiento de Celdas.-

Una celda para UV-Visible debe delavarse escrupulosamente con agua ydetergente (preferentemente neutro) yluego ser enjuagada con abundanteagua destilada o desionizada antes deponerse a secar.

Si la celda queda manchada con algúncolorante, dejar remojando la celda enuna solución de Hipoclorito de Sodiopor un tiempo máximo de 20 minutos,enjuagar con abundante aguadestilada o desionizada y colocar asecar boca abajo.

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleInstrumentación.-De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible?

El Detector.-

Es la parte del instrumento querecibe la intensidad de radiaciónmonocromática de la muestra, yla transforma a un valor de señaleléctrica. Esta señal eléctrica esmedida y comparada conrespecto a un valor de referencia(Blanco de control), parapresentar un valor numérico quenosotros podamos entender

RadiaciónElectromagnética

Energía Eléctrica

Señal Digital

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleInstrumentación.-De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible?

El Detector.-

El tipo de Detector más usado esel Tubo Fotomultiplicador. Estedetector utiliza el fenómeno de la“Foto Emisión” para generar unpequeño flujo de corriente, el cuales amplificado y medido en formaproporcional a la cantidad deradiación incidente sobre eldetector. Cada fotón que cae sobreel detector incide sobre una placaque desprende 3 o 5 electrones,los cuales chocan a su vez sobreotras placas, generando un efectode cascada.

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleInstrumentación.-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.

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleInstrumentación.-De que consta un Espectrofotometro UV - Visible? La Pantalla de Presentación de Datos.-

Es la parte del instrumento que permite ver los diferentesdatos que pueden conseguirse con el espectrofotómetro.La forma de presentación de datos incluyen accesoriostales como : LEDs (Diodos Emisores de Luz), Pantallasde Cristal Líquido (LCD), Tubos de Rayos Catódicos(CRTs), Medidores Análogos, etc.

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleInstrumentación.-De que consta un Espectrofotometro UV - Visible? La Pantalla de Presentación de Datos.-Por lo general todos los equipos modernos presentanuna pantalla gráfica que permite ver tanto el barridoespectral, como los datos cuantificados.

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleInstrumentación.-De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? La Computadora Compatible.-La Computadora personal ocompatible de mesa se ha vueltoparte indispensable de todoequipo moderno. La PC aumentalas capacidades de trabajo y lasfunciones del instrumento,permitiéndole realizar: trabajosautomatizados, Procesamientos yCálculos matemáticos veloces yuna inmejorable presentación delos mismos.

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleInstrumentación.-De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? La Computadora Compatible.-

Por lo general la conexión a una PCse lleva a cabo utilizando unainterfase IEEE 488 (GP-1B) y BCD(las cuales son interfase paralela de8 bits.

La interfase comúnmente usada esla RS-232C. Esta es una interfaseserial de 8 a 16 bits.

La interfase IEEE 488 es otro tipo deinterfase, la cual es superior a la RS-232C y a la BCD, ya que permite lacomunicación con mas de uninstrumento por medio de un bus.

Espectroscopia en el Ultravioleta - VisibleInstrumentación.-De que consta un Espectrofotómetro UV - Visible? Perifericos de Salida de Datos.-

Los perifericos de Salida dedatos se refieren a lasdiferentes formas en lascuales los datos se dan aconocer. El periferico másusado para la salida dedatos es la Impresora. Otrasformas de salida de datos espor medio de dispositivosMagneto-Opticos (Disqueteso Tarjetas de Memoria).

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División Analítica...Espectroscopia en el Ultravioleta -Visible Conceptos Básicos.-Energia.-Cuando la Radiación Electromagnética interacciona con átomos y moléculas ya no es