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Anlisis Instrumental Compilado Terico

Anlisis Instrumental

- Compilado terico -

Abril 2011 - Versin 1.0 - por Biam! Agosto 2011 Versin 1.1 por Biam!

Cursada 2do cuatrimestre 2010 Docentes Mdulo Analtico: Tudino, Mabel Beatrz Mdulo Orgnico: Burton, Gerardo Erra Balsells, Rosa Mdulo Biolgico: Corton, Eduardo Nesse, Alcira Beatrz

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Abril 2011 Versin inicial. Agosto 2011 Correccin de errores ortogrficos Citometra de flujo (agregado).

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1. MDULO ANALTICO................................................................................................................................................... 7

1.1. Introduccin................................................................................................................................................................. 7 1.1.1. Parmetros de calidad de un mtodo analtico .................................................................................................................................................. 7 1.1.2. Instrumentos para el anlisis ........................................................................................................................................................................... 7

1.1.2.1. Dominio de los datos................................................................................................................................................................. 7 1.1.2.2. Ruido instrumental ..................................................................................................................................................................... 8 1.1.2.3. Fuentes de ruido instrumental.................................................................................................................................................. 8

1.2. Introduccin a la espectroscopa ptica ...................................................................................................................... 9 1.2.1. Propiedades ondulatorias de la radiacin electromagntica ................................................................................................................................ 9 1.2.2. Emisin de radiacin ...................................................................................................................................................................................... 9 1.2.3. Absorcin de radiacin.................................................................................................................................................................................. 10 1.2.4. Absorcin atmica ........................................................................................................................................................................................ 10 1.2.5. Absorcin molecular...................................................................................................................................................................................... 11 1.2.6. Aspectos cuantitativos de las medidas espectromtricas ................................................................................................................................... 11 1.2.7. Instrumentacin para espectroscopa ptica..................................................................................................................................................... 12

1.2.7.1. Fuentes de radiacin ................................................................................................................................................................ 12 1.2.7.2. Selectores de longitud de onda............................................................................................................................................... 13 1.2.7.3. Recipientes para la muestra..................................................................................................................................................... 15 1.2.7.4. Detectores de radiacin ........................................................................................................................................................... 15 1.2.7.5. Procesador de sea y dispositivos de lectura ....................................................................................................................... 17

1.2.8. Diagramas de niveles de energa..................................................................................................................................................................... 17 1.2.9. Ancho de las lneas atmicas ......................................................................................................................................................................... 18 1.2.10. Efecto de la temperatura en los espectros atmicos .......................................................................................................................................... 18 1.2.11. Introduccin de la muestra............................................................................................................................................................................. 19

1.2.11.1. Introduccin de la muestra en disolucin ............................................................................................................................ 19 1.2.11.2. Introduccin de la muestra en slidos .................................................................................................................................. 20

1.3. Absorcin y fluorescencia atmica.............................................................................................................................. 21 1.3.1. Tcnicas de atomizacin ................................................................................................................................................................................ 21

1.3.1.1. Atomizacin con llama ............................................................................................................................................................ 21 1.3.1.2. Atomizacin electrotrmica .................................................................................................................................................... 22

1.3.2. Fuentes de radiacin...................................................................................................................................................................................... 23 1.3.2.1. Lmparas de ctodo hueco ..................................................................................................................................................... 23 1.3.2.2. Lmparas de descarga sin electrodo ...................................................................................................................................... 23

1.3.3. Modulacin de la fuente ................................................................................................................................................................................ 24 1.3.4. Espectrofotmetros......................................................................................................................................................................................... 24

1.3.4.1. Instrumentos de haz sencillo .................................................................................................................................................. 24 1.3.4.2. Instrumentos de doble haz ..................................................................................................................................................... 24

1.3.5. Interferencias en espectroscopa de absorcin atmica....................................................................................................................................... 24 1.3.5.1. Interferencias espectrales ........................................................................................................................................................ 25 1.3.5.2. Interferencias qumicas ............................................................................................................................................................ 26 1.3.5.3. Aplicaciones de la espectrometra de absorcin atmica................................................................................................... 26 1.3.5.4. Limites de deteccin ................................................................................................................................................................ 26

1.3.6. Tcnicas analticas en absorcin atmica ........................................................................................................................................................ 26 1.3.6.1. Preparacin de la muestra ....................................................................................................................................................... 26 1.3.6.2. Curvas de calibracin ............................................................................................................................................................... 27

1.3.7. Espectroscopa de fluorescencia atmica .......................................................................................................................................................... 27

1.4. Emisin atmica .........................................................................................................................................................27 1.4.1. Espectroscopa de emisin con fuente de plasma.............................................................................................................................................. 28

1.4.1.1. Fuente de plasma de acoplamiento inductivo...................................................................................................................... 28 1.4.1.2. Fuente de plasma de de corriente continua.......................................................................................................................... 29

1.4.2. Espectrmetros con fuente de plasma.............................................................................................................................................................. 29 1.4.2.1. Espectrmetros secuenciales .................................................................................................................................................. 29 1.4.2.2. Espectrmetros multicanal ..................................................................................................................................................... 30

1.4.3. Aplicaciones de las fuentes de plasma ............................................................................................................................................................ 30 1.4.3.1. Preparacin de la muestra ....................................................................................................................................................... 31 1.4.3.2. Elementos susceptibles de determinacin............................................................................................................................ 31 1.4.3.3. Seleccin de la lnea analtica .................................................................................................................................................. 31 1.4.3.4. Curvas de calibrado .................................................................................................................................................................. 31 1.4.3.5. Interferencias............................................................................................................................................................................. 31

1.4.4. Espectrometra de emisin con fuentes de arco y chispa ................................................................................................................................... 32

1.5. Luminiscencia molecular ............................................................................................................................................32 1.5.1. Teora de la fluorescencia y la fosforescencia.................................................................................................................................................... 32

1.5.1.1. Estados excitados que producen fluorescencia y fosforescencia...................................................................................... 32 1.5.1.2. Diagramas de niveles de energa para las molculas fotoluminiscentes .......................................................................... 33 1.5.1.3. Velocidades de absorcin y emisin...................................................................................................................................... 34 1.5.1.4. Procesos de desactivacin ....................................................................................................................................................... 34 1.5.1.5. Variables que afectan a la fluorescencia y a la fosforescencia ........................................................................................... 35 1.5.1.6. Espectros de excitacin y emisin ......................................................................................................................................... 37

1.5.2. Instrumentos para la medida de la fluorescencia y fosforescencia...................................................................................................................... 37

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1.5.2.1. Componentes de los fluormetros y los espectrofluormetros.......................................................................................... 37 1.5.2.2. Diseo de instrumentos .......................................................................................................................................................... 37

1.5.3. Aplicaciones.................................................................................................................................................................................................. 39

1.6. Introduccin a las separaciones cromatogrficas .......................................................................................................39 1.6.1. Clasificacin de los mtodos cromatogrficos en columna ................................................................................................................................. 40 1.6.2. Cromatografa de elucin en columna............................................................................................................................................................. 40

1.6.2.1. Dilucin del analito .................................................................................................................................................................. 41 1.6.2.2. Cromatogramas......................................................................................................................................................................... 41 1.6.2.3. Efectos de las velocidades de migracin y del ensanchamiento de banda sobre la resolucin ................................... 41

1.6.3. Velocidad de migracin de los solutos ............................................................................................................................................................ 41 1.6.4. Eficacia de la columna .................................................................................................................................................................................. 43

1.6.4.1. La forma de los picos cromatogrficos................................................................................................................................. 43 1.6.4.2. Mtodos para describir la eficacia de la columna ................................................................................................................ 43 1.6.4.3. Definicin de altura de plato .................................................................................................................................................. 44

1.6.5. Ensanchamiento de banda ............................................................................................................................................................................ 44 1.6.5.1. Influencia del caudal de la fase mvil.................................................................................................................................... 44 1.6.5.2. Relacin entre la altura de plato y las variables de la columna.......................................................................................... 44

1.6.6. Efecto del tamao de las partculas en la eficacia de la columna ..................................................................................................................... 45 1.6.7. Resolucin de la columna............................................................................................................................................................................... 45 1.6.8. Variables que afectan la eficacia de una columna................................................................................................................................................... 46 1.6.8. El problema general de la elucin .................................................................................................................................................................. 46 1.6.9. Resumen de parmetros y ecuaciones .............................................................................................................................................................. 47

1.7. Cromatografa gaseosa ................................................................................................................................................48 1.7.1. Instrumentos para la cromatografa gas-lquido.............................................................................................................................................. 48

1.7.1.1. Gas portador ............................................................................................................................................................................. 49 1.7.1.2. Sistema de inyeccin de muestra............................................................................................................................................ 49 1.7.1.3. Configuracin de la columna y del horno para la columna ............................................................................................... 49 1.7.1.4. Sistemas de deteccin .............................................................................................................................................................. 49

1.7.2. Columnas y fases estacionarias para cromatografa de gases............................................................................................................................ 51 1.7.2.1. Columnas abiertas .................................................................................................................................................................... 51 1.7.2.2. Columnas rellenas..................................................................................................................................................................... 51 1.7.2.3. Materiales de soporte slidos.................................................................................................................................................. 52 1.7.2.4. Fase estacionaria ....................................................................................................................................................................... 52

1.8. Cromatografa lquida de alta eficacia ........................................................................................................................53 1.8.1. Aplicaciones de la cromatografa lquida de alta eficiencia .............................................................................................................................. 53 1.8.2. Eficacia de la columna en la cromatografa de lquidos................................................................................................................................... 54

1.8.2.1. Efecto del tamao de las partculas del relleno ................................................................................................................... 54 1.8.2.2. Ensanchamiento de banda extracolumna en cromatografa de lquidos ......................................................................... 54

1.8.3. Separacin isocrtica y con gradiente .............................................................................................................................................................. 54 1.8.4. Instrumentacin para cromatografa de lquidos ............................................................................................................................................. 55

1.8.4.1. Sistema de bombeo .................................................................................................................................................................. 55 1.8.4.2. Sistema de inyeccin de muestra............................................................................................................................................ 56 1.8.4.3. Columnas para cromatografa de lquidos ............................................................................................................................ 56 1.8.4.4. Detectores.................................................................................................................................................................................. 56

1.8.5. Cromatografa de reparto............................................................................................................................................................................... 58 1.8.5.1. Eluyentes tpicos ....................................................................................................................................................................... 58 1.8.5.2. Optimizacin del eluyente....................................................................................................................................................... 58 1.8.5.3. Aplicaciones de la cromatografa de reparto........................................................................................................................ 58

1.8.6. Cromatografa de adsorcin ........................................................................................................................................................................... 59 1.8.7. Cromatografa de intercambio inico .............................................................................................................................................................. 59

1.8.7.1. Rellenos de intercambio inico .............................................................................................................................................. 59 1.8.7.2. Cromatografa inica con columnas supresoras.................................................................................................................. 59 1.8.7.3. Aplicaciones orgnicas y bioqumicas de la cromatografa inica .................................................................................... 59

1.9. Voltamperometra........................................................................................................................................................60 1.9.1. Seal de excitacin en voltamperometra ........................................................................................................................................................ 60 1.9.2. Instrumentacin en voltamperometra............................................................................................................................................................. 61

1.9.2.1. Microelecrtrodos....................................................................................................................................................................... 61 1.9.2.2. Voltamperogramas ................................................................................................................................................................... 61

1.9.3. Voltamperometra hidrodinmica.................................................................................................................................................................. 62 1.9.3.1. Perfiles de concentracin para electrodos planos en disoluciones no agitadas.............................................................. 62 1.9.3.2. Perfiles de concentracin para microelectrodos en disoluciones agitadas ...................................................................... 62 1.9.3.3. Voltamperogramas para mezclas de reactantes ................................................................................................................... 63 1.9.3.4. Ondas de oxgeno..................................................................................................................................................................... 64

1.9.4. Polarografa .................................................................................................................................................................................................. 64 1.9.4.1. Polarografa de barrido lineal.................................................................................................................................................. 64 1.9.4.2. Corrientes polarogrficas......................................................................................................................................................... 64 1.9.4.3. Corriente de difusin en los electrodos de gotas ................................................................................................................ 65 1.9.4.4. Corrientes residuales ................................................................................................................................................................ 65 1.9.4.5. Ventajas del electrodo de gotas de Hg .................................................................................................................................. 65 1.9.4.6. Desventajas del electrodo de gotas de Hg............................................................................................................................ 65

1.9.5. Mtodos polarogrficos y voltamperomtricos de impulso ................................................................................................................................. 66 1.9.5.1. Polarografa diferencial de impulsos...................................................................................................................................... 66

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1.9.5.2. Polarografa de onda cuadrada ............................................................................................................................................... 66 1.9.6. Mtodos de redisolucin ................................................................................................................................................................................. 66

1.10. Bibliografa usada .......................................................................................................................................................67

2. MDULO ORGNICO .................................................................................................................................................................................. 68

2.1. Resonancia magntica nuclear ...................................................................................................................................68 2.1.1. Introduccin .................................................................................................................................................................................................. 68

2.1.1.1. Momento angular y magnetismo nuclear ............................................................................................................................. 68 2.1.1.2. Espectroscopa RMN............................................................................................................................................................... 69

2.1.2. Desplazamiento qumico ............................................................................................................................................................................... 70 2.1.2.1. Apantallamiento nuclear.......................................................................................................................................................... 70 2.1.2.2. La escala del desplazamiento qumico................................................................................................................................... 70 2.1.2.3. El origen de los desplazamientos qumicos.......................................................................................................................... 71 2.1.2.4. Efectos diamagnticos ............................................................................................................................................................. 71 2.1.2.5. Efectos paramagnticos........................................................................................................................................................... 71 2.1.2.6. Efectos de grupos vecinos ...................................................................................................................................................... 72 2.1.2.7. Otros efectos ............................................................................................................................................................................. 74

2.1.3. Interaccin Spin-Spin.................................................................................................................................................................................... 74 2.1.3.1. El origen del acoplamiento escalar ........................................................................................................................................ 75 2.1.3.2. Diagramas de energa ............................................................................................................................................................... 77

2.1.4. Ncleos equivalente ....................................................................................................................................................................................... 77 2.1.5. Equivalencia magntica................................................................................................................................................................................. 78 2.1.6. Sistemas fuertemente acoplados ...................................................................................................................................................................... 78 2.1.7. Efectos del equilibrio conformacional.............................................................................................................................................................. 78 2.1.8. Escala de tiempos de la RMN...................................................................................................................................................................... 79 2.1.9. El modelo vectorial........................................................................................................................................................................................ 79

2.1.9.1. El sistema rotante ..................................................................................................................................................................... 79 2.1.9.2. Magnetizacin macroscpica.................................................................................................................................................. 80

2.1.10. Procesos de relajacin..................................................................................................................................................................................... 81 2.1.10.1. Relajacin spin-red ................................................................................................................................................................... 81 2.1.10.2. Tiempo de relajacin spin-red (T1) ........................................................................................................................................ 82 2.1.10.3. Relajacin spin-spin.................................................................................................................................................................. 83 2.1.10.4. Tiempo de relajacin spin-spin (T2) ...................................................................................................................................... 83 2.1.10.5. Efecto de la relajacin en los espectros ................................................................................................................................ 84 2.1.10.6. Otros procesos de relajacin .................................................................................................................................................. 85

2.1.11. Desacoplamiento spin-spin ............................................................................................................................................................................ 85 2.1.12. Efecto Overhauser nuclear ............................................................................................................................................................................. 85

2.2. Espectrometra de masa..............................................................................................................................................86 2.2.1. Introduccin .................................................................................................................................................................................................. 86 2.2.2. Componentes de un espectrmetro de masa ..................................................................................................................................................... 86

2.2.2.1. Cmaras de volatilizacin e ionizacin.................................................................................................................................. 87 2.2.2.2. Analizadores .............................................................................................................................................................................. 90

2.2.3. Secuenciacin gentica .................................................................................................................................................................................... 92

2.3. Bibliografa usada .......................................................................................................................................................93

3. MDULO BIOLGICO ................................................................................................................................................................................. 94

3.1. Microscopa.................................................................................................................................................................94 3.1.1. Principio de funcionamiento........................................................................................................................................................................... 94 3.1.2. Parmetros pticos ........................................................................................................................................................................................ 94 3.1.3. Componente de un microscopio....................................................................................................................................................................... 95 3.1.4. Tipos de microscopios .................................................................................................................................................................................... 97

3.1.4.1. Microscopios pticos ............................................................................................................................................................... 97 3.1.4.2. Microscopios electrnicos....................................................................................................................................................... 98

3.2. Electroforesis...............................................................................................................................................................99 3.2.1. Factores que afectan la electroforesis............................................................................................................................................................... 99 3.2.2. Electroforesis en gel de poliacrilamida (PAGE) .......................................................................................................................................... 100

3.2.2.1. Estructura y sntesis de la matriz del gel ............................................................................................................................. 100 3.2.2.2. Porosidad del gel..................................................................................................................................................................... 101 3.2.2.3. Caractersticas de los sistemas en PAGE ........................................................................................................................... 101 3.2.2.4. Electroforesis en condiciones desnaturalizantes (SDS-PAGE)...................................................................................... 102 3.2.2.5. Determinacin del tamao molecular con SDS-PAGE .................................................................................................. 102 3.2.2.6. Ventajas y desventajas de los geles de poliacrilamida ....................................................................................................... 103 3.2.2.7. Aplicaciones............................................................................................................................................................................. 103

3.2.3. Electroforesis en geles de agarosa.................................................................................................................................................................. 103 3.2.4. Electroforesis en gel de campo pulsante (PFGE).......................................................................................................................................... 104

3.2.4.1. Utilidad de PFGE................................................................................................................................................................... 104 3.2.4.2. Equipo para PFGE ................................................................................................................................................................ 104

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3.2.4.3. Factores que afectan la resolucin de PFGE..................................................................................................................... 104 3.2.4.4. Aplicaciones de PFGE .......................................................................................................................................................... 104

3.2.5. Isoelectroenfoque (IEF) ............................................................................................................................................................................... 105 3.2.5.1. Gradiente de pH ..................................................................................................................................................................... 105 3.2.5.2. Medios soporte para IEF ...................................................................................................................................................... 105 3.2.5.3. Poder resolutivo de IEF ........................................................................................................................................................ 105 3.2.5.4. Determinacin de pI .............................................................................................................................................................. 105 3.2.5.5. Ventajas y aplicaciones de IEF............................................................................................................................................. 105

3.2.6. Inmunoelectroforesis..................................................................................................................................................................................... 106 3.2.6.1. Inmunodifusin ...................................................................................................................................................................... 106 3.2.6.2. Electroforesis Rocket............................................................................................................................................................. 106 3.2.6.3. Inmunoelectroforesis bidimensional ................................................................................................................................... 106

3.2.7. Electroforesis capilar ................................................................................................................................................................................... 107 3.2.7.1. Condiciones de la electroforesis capilar .............................................................................................................................. 107 3.2.7.2. Flujo electroendosmtico (o electroosmtico).................................................................................................................. 107 3.2.7.3. Detectores................................................................................................................................................................................ 107 3.2.7.4. Tipos de electroforesis capilar .............................................................................................................................................. 107 3.2.7.5. Separacin de ADN con electroforesis capilar.................................................................................................................. 108 3.2.7.6. Ventajas y desventajas de la electroforesis capilar............................................................................................................. 108

3.3. Reaccin en cadena de la polimerasa (PCR) ............................................................................................................ 108 3.3.1. Reactivos para PCR ................................................................................................................................................................................... 109 3.3.2. Ciclo de amplificacin - Esquema general de la PCR. ................................................................................................................................. 109 3.3.3. Caractersticas deseable de PCR.................................................................................................................................................................. 110 3.3.4. Limitaciones y requerimientos...................................................................................................................................................................... 110 3.3.5. Controles positivos y negativos ..................................................................................................................................................................... 111 3.3.6. PCR en tiempo real .................................................................................................................................................................................... 111

3.4. Biosensores y tcnicas bioanalticas ......................................................................................................................... 112 3.4.1. Biosensores.................................................................................................................................................................................................. 112 3.4.2. Propiedades deseables de un biosensor .......................................................................................................................................................... 112 3.4.3. Ventajas de los biosensores.......................................................................................................................................................................... 112 3.4.4. Mtodos de inmovilizacin del material biolgico.......................................................................................................................................... 112 3.4.5. Tipos de biosensores .................................................................................................................................................................................... 113

3.4.5.1. Biosensores enzimticos........................................................................................................................................................ 113 3.4.5.2. Biosensores piezoelctricos................................................................................................................................................... 113 3.4.5.3. Biosensores pticos................................................................................................................................................................ 114 3.4.5.4. Biosensores termomtricos................................................................................................................................................... 114

3.4.6. Transductores trmicos ................................................................................................................................................................................ 114

3.5. Inmunoensayos ......................................................................................................................................................... 114 3.5.1. Terminologa............................................................................................................................................................................................... 115 3.5.2. Anticuerpos: produccin y marcado.............................................................................................................................................................. 115 3.5.3. Caractersticas de la interaccin antgeno anticuerpo ..................................................................................................................................... 115 3.5.4. Uniones no covalentes en la interaccin antgeno-anticuerpo. ......................................................................................................................... 115 3.5.5. Ensayos basados en el uso de anticuerpos..................................................................................................................................................... 116 3.5.6. Inmunosensores ........................................................................................................................................................................................... 117

3.6. Citometra de flujo..................................................................................................................................................... 117 3.6.1. Principio ..................................................................................................................................................................................................... 117 3.6.2. Componentes bsicos de un citmetro de flujo ............................................................................................................................................... 117 3.6.3. Parmetros medibles en citometra de flujo ................................................................................................................................................... 118 3.6.4. Fluorocromos .............................................................................................................................................................................................. 118 3.6.5. Marcadores fluorescentes.............................................................................................................................................................................. 118

3.6.5.1. Incremento de la relacin seal/ruido ................................................................................................................................ 119 3.6.5.2. Fluorocromos en el anlisis de ADN.................................................................................................................................. 119

3.6.6. Estndares y controles ................................................................................................................................................................................. 120 3.6.7. Prestaciones de los Citmetros de Flujo ........................................................................................................................................................ 120 3.6.8. Aplicaciones................................................................................................................................................................................................ 121

3.7. Bibliografa usada ..................................................................................................................................................... 122

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Anlisis Instrumental Mdulo Analtico

1. Mdulo Analtico 1.1. Introduccin 1.1.1. Parmetros de calidad de un mtodo analtico

1.1.2. Instrumentos para el anlisis

Un instrumento para el anlisis qumico transforma la in-formacin relacionada con las propiedades fsicas o qumicas del analito en informacin que pueda ser manipulada e in-terpretada por un ser humano. Por tanto, un instrumento analtico puede considerarse como un dispositivo de comu-nicacin entre el sistema objeto de estudio y el cientfico.

Fig. 1.1: Diagrama de bloque que muestra el proceso completo de una medida instrumental.

1.1.2.1. Dominio de los datos En el proceso de medida colaboran una amplia variedad de dispositivos que transforman la infor-macin de una forma a otra. Para estudiar cmo funcionan los instrumentos es importante entender la mane-ra en la que se codifica la informacin, o se transforma de un sistema de informacin a otro como una seal elctrica. Los diferentes modos de codificar la informacin en forma elctrica se denominan dominios de los datos.

Dominios no elctricos y elctricos El proceso de medida comienza y termina en dominios no elctricos (Ej.: medir un volumen de una solucin con una bureta -entra una muestra y sale un nmero- poner una muestra en una balanza mecnica, etc.). La aparicin de procesadores de seales electrnicas, de detectores sensibles y de dispositivos de lectura permite el uso de instrumentos electrnicos que recogen informacin en do-

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minios no elctricos, la procesan en dominios elctricos y la representan en dominios no elctricos nuevamente (entra una muestra con una propiedad dada del analito y sale un resultado numrico fi-nal). El resultado numrico final debe ser proporcional a la propiedad fsica o qumica inherente al analito.

Seales (dominios) analgicos y digitales La seal de salida de la mayora de los transductores usados en los instrumentos analticos es una sea analgica. Para aprovechar las ventajas de la electrnica digital es necesario transformar la seal analgica en digital. Las seales digitales pueden transmitirse con un mayor grado de integridad que las analgicas y son compatibles con las computadoras y por lo tanto pueden procesarse con el uso de un software ade-cuado. En los instrumentos modernos, la seal analgica se convierte en digital mediante la adquisicin y el registro a intervalos regulares de tiempo de la salida analgica. Fig. 1.2: Representacin grfica de la respuesta de un detector en funcin del tiempo para la misma seal (a) en forma analgica y (b) en forma digital.

1.1.2.2. Ruido instrumental Cada medida analtica consta de dos componentes; una lleva la informacin acerca del analito y la otra (ruido) est compuesta por informacin ajena y no deseada porque degrada la exactitud y la precisin de un anlisis a la vez que aumenta el lmite inferior de la cantidad de analito que se puede detectar.

El ruido es la desviacin aleatoria ajena y no deseada que degrada la exactitud y aumenta el lmite de deteccin. 1.1.2.3. Fuentes de ruido instrumental El ruido se asocia a cada componente de un instrumento: la fuente, el transductor de entrada, todos los elementos que tratan la seal y el transductor de salida. El ruido de cada componente puede ser distinto y provenir de distintas fuentes. Por lo que el ruido observado es una mezcla compleja.

Ruido trmico Se debe a la agitacin trmica de los electrones u otros portadores de carga en las resistencias, con-densadores, celdas electroqumicas, etc. Este movimiento aleatorio origina peridicamente hetero-geneidades de carga, que a su vez crean variaciones de voltaje que aparecen como ruido en la lectura. Slo desaparece en el cero absoluto. Ruido de disparo Se origina siempre que exista una corriente que produzca el movimiento de partculas cargadas a travs de una unin. Las corrientes implican la transferencia de electrones individuales a travs de la unin. Estos sucesos cuantizados se producen al azar y la velocidad de los mismos est sujeta a fluc-tuaciones estadsticas. Ruido de parpadeo Se caracteriza por tener un valor inversamente proporcional a la frecuencia de la seal que se obser-va, se lo denomina tambin ruido 1/f. Es significativo para frecuencias menores que 100Hz. Ruido ambiental Es una mezcla de los ruidos provenientes del entorno. Gran parte de estos ruidos se producen debi-do a que cada conductor de un instrumento es una antena potencial capaz de captar radiacin elec-tromagntica y convertirla en una seal elctrica.

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1.2. Introduccin a la espectroscopa ptica Los mtodos espectroscpicos pticos se fundan en: x Absorcin x Fluorescencia x Fosforescencia x Dispersin x Emisin x Quimioluminiscencia

Fig. 1.3: Esquemas representativos de los principios de emisin, absorcin y fluorescencia.

EMISIN ABSORCIN FLUORESCENCIA

Q h Q h h

1.2.1. Propiedades ondulatorias de la radiacin electromagntica La radiacin electromagntica se representa como un campo elctrico y otro magntico que estn en fase, con oscilaciones sinusoidales en ngulo recto de uno respecto a otro y respecto a la direccin de propa-gacin. Se dice que la radiacin est polarizada en el plano cuando todas las oscilaciones tanto del campo elctrico como del magntico estn en un solo plano. En la mayor parte del resto del texto, solo se considerara la componente elctrica de la radiacin, ya que el campo elctrico es el responsable de la mayora de los fenmenos que interesan, como la transmisin, la reflexin, la refraccin y la absorcin. 1.2.2. Emisin de radiacin La radiacin electromagntica se origina cuando las partculas excitadas (tomos, iones o molculas) se relajan a niveles de menor energa cediendo su exceso de energa en forma de fotones. La radiacin emitida por una fuente excitada se caracteriza adecuadamente por medio de un espectro de emisin, que generalmen-

te toma la forma de una representacin grafica de la potencia relativa de la radiacin emitida en fun-cin de la longitud de onda o de la frecuencia. La figura 1.4 muestra un espectro de emi-sin tpico. Los tres tipos de espectros se ponen de manifiesto en la figura: de lneas, de bandas y continuo. El espectro de lneas esta formado por una serie de picos agudos y bien definidos origina-dos por la excitacin de tomos individuales. El espectro de bandas consiste en varios grupos de lneas tan estrechamente espaciadas que no se llegan a resolver completamente. La fuente del espectro de bandas consiste en pequeas molculas o radicales. Finalmente, la parte continua del es-pectro es consecuencia del aumento del ruido de fondo que se evidencia por encima de 350 nm aproximadamente. Los espectros de lneas y de bandas estn superpuestos al espectro continuo. Fig. 1.4: Espectro de emisin de una salmuera obtenida con una llama de oxgeno hidrgeno.

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Espectros de lneas Los espectros de lneas en las regiones ultravioleta y visible se producen cuando las especies radian-tes son partculas atmicas individuales que estn muy separadas entre si, en estado gaseoso. Las partculas individuales en estado gaseoso se comportan como cuerpos independientes, y el espectro consiste en una serie de lneas agudas con anchuras de 10-4 aproximadamente. Espectros de bandas Los espectros de bandas se encuentran con frecuencia en fuentes espectrales que presentan radicales o pequeas molculas en estado gaseoso. Las bandas surgen a partir de numerosos niveles vibracio-nales cuantizados que se superponen al nivel de energa electrnico del estado fundamental de una molcula. Espectros continuos La verdadera radiacin contnua se produce cuando los slidos se calientan hasta la incandescencia. La radiacin trmica de esta clase, denominada radiacin del cuerpo negro, es caracterstica de la temperatura de la superficie emisora ms que del material del que est compuesta la superficie. La radiacin del cuerpo negro se produce por innumerables oscilaciones atmicas y moleculares excita-das en el slido condensado por la energa trmica.

Fig. 1.5: Diagrama de niveles de energa para (a) un tomo de sodio que muestra la fuente de un espec-tro de lneas y (b) una molcula simple que muestra la fuente de un espectro de bandas.

1.2.3. Absorcin de radiacin

Cuando la radiacin atraviesa una capa de un slido, un lquido o un gas, ciertas frecuencias pueden eliminarse selectivamente por absorcin, un proceso en el que la energa electromagntica se transfiere a los tomos, iones o molculas que componen la muestra. La absorcin provoca que estas partculas pasen de su estado normal a temperatura ambiente, o estado fundamental, a uno o ms estados excitados de energa supe-rior.

De acuerdo con la teora cuantica, los tomos, molculas o iones solo tienen un nmero limitado de niveles de energa discretos; de modo que para que se produzca la absorcin de la radiacin, la energa de los fotones excitadores debe coincidir exactamente con la diferencia de energa entre el estado fundamental y uno de los estados excitados de las especies absorbentes. Como estas diferencias de energa son caractersticas para cada especie, el estudio de las frecuencias de la radiacin absorbida proporciona un medio para caracteri-zar los componentes de una muestra.

1.2.4. Absorcin atmica

El paso de radiacin policromtica ultravioleta o visible a travs de un medio constituido por partculas monoatrnicas produce la absorcin de slo unas pocas frecuencias bien definidas. La relativa simplicidad de dichos espectros se debe al pequeo nmero de posibles estados de energa de las part-culas absorbentes. La excitacin slo puede producirse mediante un proceso electrnico en el que uno o

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ms de los electrones del tomo se promocionan a un nivel de energa superior. La radiacin ultravioleta y visible tiene la energa suficiente para producir transiciones nicamente de los electrones ms externos o electrones enlazantes.

1.2.5. Absorcin molecular

Los espectros de absorcin de las molculas poliatmicas, especialmente en estado condensado, son considerablemente ms complejos que los espectros atmicos, ya que el nmero de estados de energa de las molculas es generalmente enorme si se compara con el de los tomos aislados. La energa E, asociada a las bandas de una molcula, esta formada por tres componentes. Esto es,

E = Eelectrnica + Evibracional + Erotacional Donde la Eelectrnica representa la energa electrnica de la molcula que proviene de los estados

energticos de sus distintos electrones enlazantes. El segundo trmino de la derecha se refiere a la ener-ga total asociada al elevado nmero de vibraciones interatmicas presente en las especies moleculares. En general, una molcula tiene muchos mas niveles cuantizados de energa vibracional que niveles elec-trnicos. Finalmente, la Erotacional es la energa debida a los distintos movimientos rotacionales dentro de una molcula; as pues, para cada estado de energa electrnica de una molcula, generalmente existen varios estados vibracionales posibles y, a su vez, para cada uno de estos estados vibracionales, son posi-bles numerosos estados rotacionales. En consecuencia, el nmero de posibles niveles de energa para una molcula es normalmente de unos rdenes de magnitud mayor que para una partcula atmica.

A diferencia de los espectros de absorcin atmicos, que consisten en una serie de lneas agudas y bien definidas, los espectros moleculares de las regiones ultravioleta y visible se caracterizan normalmente por bandas de absorcin que a menudo abarcan un intervalo considerable de longitudes de onda.

1.2.6. Aspectos cuantitativos de las medidas espectromtricas

Potencia radiante Energa de un haz de radiacin que alcanza un rea dada por segundo. Instrumentos La potencia se determina con un detector de radiacin que convierte la energa radiante en una seal elctrica. Mtodos basados en la emisin, fluorescencia o luminiscencia La potencia de radiacin emitida por un analito es proporcional a la concentracin del analito. Mtodos basados en la absorcin Se requiere medir la potencia inicial y final. Ley de Beer Para una radiacin monocromtica, la absorbancia es directamente proporcional al camino ptico b a travs del medio y la concentracin c de la especie absorbente. Estas relaciones vienen dadas por: A = abc

Fig. 1.6: Atenuacin de un haz de radiacin por una disolucin absorbente.

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1.2.7. Instrumentacin para espectroscopa ptica Los instrumentos espectroscpicos incluyen cinco componentes: x Una fuente de energa radiante. x Un recipiente transparente para contener la muestra. x Un dispositivo que asle una regin restringida del espectro. x Un detector de radiacin que convierta energa radiante en seal (en general elctrica). x Un sistema de procesamiento de datos.

Fig. 1.7: Componentes de diversos tipos de instrumentos para espectroscopa ptica: (a) de absorcin; (b) de fluorescencia, fosforescen-

cia y dispersin; (c) de emisin o quimioluminiscencia.

1.2.7.1. Fuentes de radiacin

Una fuente debe generar un haz de radiacin con potencia suficiente para que se detecte y se mida con facilidad para poderla utilizar en estudios espectroscpicos. Adems, su potencia de salida debe ser esta-ble durante periodos de tiempo razonables. La potencia radiante de una fuente varia exponencialmente con la tensin de su fuente de alimentacin. Por ello, para proporcionar la estabilidad requerida se necesita a menu-do una fuente de potencia regulada. Por otra parte, el problema de la estabilidad de la fuente se soluciona con diseos de doble haz en los que la relacin de la seal de la muestra respecto a la de la fuente en ausencia de muestra sirve como parmetro analtico. En dichos diseos, la intensidad de los dos haces se mide simultanea o casi simultneamente, de manera que el efecto de las fluctuaciones de la seal de salida de la fuente se anula en gran parte.

Fuente contnua Emiten radiacin que vara de forma gradual con la longitud de onda. Fuente de lnea Emiten un nmero limitado de lneas o bandas cada una abarca un intervalo limitado de longitudes de onda.

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Lseres Los lseres son fuentes muy tiles en la instrumentacin analtica debido a su elevada intensidad, a su estrecha anchura de banda y a la naturaleza coherente de su seal de salida.

1.2.7.2. Selectores de longitud de onda

Para la mayora de anlisis espectroscpicos, se necesita una radiacin constituida por un grupo limi-tado, estrecho y continuo de longitudes de onda denominado banda. Una anchura de banda estrecha aumenta la sensibilidad de las medidas de absorbancia, puede proporcionar selectividad tanto a los mtodos de absor-cin como a los de emisin y, con frecuencia, es un requisito para obtener una relacin lineal entre la seal ptica y la concentracin. Idealmente, la seal de salida de un selector de longitud de onda correspondera a una radiacin de una nica longitud de onda o frecuencia. No existe ningn selector de longitud de onda que se aproxime al caso ideal; en su lugar, lo que se obtiene es una banda. La anchura de banda efectiva, es una medida inversa de la calidad del dispositivo, siendo la resolucin mejor cuanto ms estrecha es la anchura de banda. Existen dos clases de selectores de longitud de onda, los filtros y los monocromadores.

Filtros de interferencia: los filtros de interferencia se fundamentan en las interferencias pticas para producir bandas estrechas de radiacin. Un filtro de interferencia consta de un dielctrico transpa-rente (con frecuencia fluoruro de calcio o de mag-nesio) que ocupa el espacio entre dos pelculas metlicas semitransparentes. Esta disposicin se coloca entre dos placas de vidrio u otro material transparente. El espesor de la capa dielctrica se controla cuidadosamente y determina la longitud de onda de la radiacin transmitida. Cuando un haz perpendicular de radiacin colimada incide en esta disposicin, una fraccin atraviesa la primera capa metlica, mientras que el resto se refleja. La parte que ha pasado sufre una particin similar cuando incide en la segunda pelcula metlica. Si la parte reflejada de esta segunda interaccin es de la longitud de onda adecuada, se refleja parcialmente desde la cara interna de la primera capa en fase con la luz incidente de la misma longitud de onda. El resultado es que se refuerza esta determinada

longitud de onda, mientras que la mayora de las otras longitudes de onda, que no estn en fase, sufren una interferencia destructiva.

Fig. 1.8: Seal de salido de un selector de longitud de onda tpico.

Fig. 1.9: (a) Esquema de la seccin transversal de un filtro de interferencia. Obsrvese que el dibujo no est hecho a escala y que las tres bandas centrales en realidad son mucho ms estrechas. (b) Esquema que muestra las condiciones para una interferencia cons-tructiva.

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Filtros de absorcin Los filtros de absorcin se han utilizado mucho para la seleccin de bandas en la regin visible. Es-tos filtros funcionan absorbiendo ciertas zonas del espectro. El tipo ms habitual es un vidrio colo-reado o una suspensin de un colorante en gelatina que se coloca entre dos placas de vidrio. El pri-mero tiene la ventaja de una mayor estabilidad trmica. Los filtros de absorcin tienen anchuras de banda efectivas que oscilan entre 30 y 250 nm. Los filtros que proporcionan las anchuras de banda ms estrechas tambin absorben una fraccin significativa de la radiacin deseada y pueden tener una transmitancia del 10% o menos en sus picos de banda. Los filtros de corte tienen transmitancia de casi el 100% en una zona del espectro visible, pero luego disminuyen rpidamente hasta un valor de transmitancia igual a cero en el resto. Una banda espectral estrecha puede aislarse acoplando un filtro de corte con un segundo filtro. Monocromadores Los monocromadores se disean para realizar barridos espectrales. Los monocromadores para las radiaciones ultravioleta, visible e infrarroja son similares en cuanto a construccin mecnica, ya que todos ellos utilizan rendijas, lentes, espejos, ventanas y redes o prismas. Monocromadores de red

Las radiaciones ultravioleta, visible e infrarroja pueden dispersarse dirigiendo un haz poli-cromtico a travs de una red de transmisin o hacia la superficie de una red de reflexin; esta ltima es con mucho la ms usual. Las redes rplica, que se usan en la mayora de los monocromadores, se fabrican a partir de una red patrn. Esta ltima consiste en una su-perficie dura, pulida y pticamente plana sobre la que se han grabado, con una herramienta de diamante afilada adecuadamente, un gran nmero de surcos paralelos y muy prximos entre s. La red escalerilla es una red tipo escalerilla, a la que se la han hecho estras o sur-cos de forma que tiene caras relativamente anchas, en las que se produce la reflexin, y ca-ras estrechas no utilizadas. Esta geometra proporciona una difraccin muy eficaz de la ra-diacin. Cada una de las caras anchas se puede considerar como una fuente puntual de ra-diacin; as pues, se puede producir una interferencia entre los haces reflejados. La radia-cin entra en el monocromador por una abertura estrecha rectangular o rendija, se colima y, seguidamente, incide sobre la superficie del elemento dispersante con un ngulo dado. En un monocromador de red, la dispersin angular de las longitudes de onda tiene su ori-gen en la difraccin que se produce en la superficie reflectante; la dispersin lineal significa que la posicin de una banda a lo largo del plano focal para una red vara linealmente con su longitud de onda. Monocromador de prisma Los prismas se pueden utilizar para dispersar radiacin ultravioleta, visible e infrarroja. Sin embargo, el material usado para su fabricacin difiere segn la regin de longitudes de on-da. La refraccin en las dos caras da lugar a una dispersin angular de la radiacin. Las lon-gitudes de onda ms cortas se dispersan en mayor grado que las largas. Monocromadores de escalera Los monocromadores de escalera contienen dos elementos dispersantes dispuestos en se-rie. El primero de estos elementos es un tipo especial de red denominada red de escalera. El segundo, que le sigue, es generalmente un prisma de baja dispersin o, a veces, una red. Los monocromadores de escalera proporcionan una mayor dispersin y mayor resolucin que una red de escalerilla del mismo tamao

Las rendijas de un monocromador juegan un importante papel para determinar sus caractersticas de funcionamiento y calidad. La anchura de banda se define como el espacio de ajuste del monocromador nece-sario para mover la imagen de la rendija de entrada a travs de la rendija de salida; la anchura de banda efecti-va, que es la mitad de la anchura de banda cuando las dos anchuras de las rendijas son iguales, se aprecia que es el intervalo de longitudes de onda que salen del monocromador para un ajuste dado de longitud de onda. La anchura de banda efectiva se puede relacionar con la dispersin recproca lineal.

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La anchura de banda efectiva de un monocromador depende de la dispersin de la red o del prisma as como de la anchura de las rendijas de entrada y de salida. La mayora de los monocromadores estn equi-pados con rendijas variables, de manera que la anchura de banda efectiva se puede cambiar. Cuando se nece-sita resolver bandas estrechas de absorcin o de emisin es deseable utilizar anchuras de rendija mnimas. Por otra parte, el estrechamiento de las rendijas viene acompaado de una disminucin notable de la potencia radiante disponible, dificultndose la consecucin de medidas exactas de dicha potencia. Por tanto, se pueden utilizar anchuras de rendija mayores para los anlisis cuantitativos ms que para los cualitativos, en los que el detalle espectral es importante.

Fig. 1.10: Efecto de la anchura de banda sobre los detalles del espec-tro del vapor de benceno: (a) 0.5 nm; (b) 1.0 nm; (c) 2.0 nm.

1.2.7.3. Recipientes para la muestra

Las celdas o cubetas que contienen las muestras se deben fabricar de un material que sea transparen-te a la radiacin de la regin espectral de inters. Para trabajar en la regin ultravioleta (por debajo de 350 nm) se necesita cuarzo o slice fundida; ambas sustancias son transparentes en la regin visible, as como en la regin infrarroja hasta aproximadamente 3 m. Los vidrios silicatados se pueden emplear en la regin com-prendida entre 350 y 2000 nm. Los recipientes de plstico tambin se utilizan en la regin visible. La sustancia ms habitualmente empleada para las ventanas de las cubetas en la regin infrarroja es el cloruro de sodio cristalino.

1.2.7.4. Detectores de radiacin Propiedades del detector ideal: x Elevada sensibilidad. x Elevada relacin seal/ruido. x Respuesta constante en un intervalo considerable de longitudes de onda. x Debe tener un tiempo de respuesta rpido. x Seal de salida igual a cero en ausencia de iluminacin. x La seal elctrica producida por el transductor debera ser directamente proporcional a la potencia radiante.

Existen dos tipos generales de detectores de radiacin: uno responde a los fotones y el otro al calor.

Todos los detectores de fotones (tambin denominados detectores fotoelctricos o cunticos) tienen una superficie activa, que es capaz de absorber radiacin. En algunos tipos, la energa absorbida causa la emisin de electrones y el desarrollo de una fotocorriente. En otros, la radiacin promociona electrones a las bandas de conduccin; en este caso, la deteccin se basa en el aumento de la conductividad resultante (fotoconduc-cin).

La diferencia entre detectores de fotones y de calor es importante, ya que el ruido de disparo, a me-nudo, limita el comportamiento de los primeros, mientras que el ruido trmico suele limitar el de los ltimos.

Detectores de fotones: Clulas fotovoltaicas

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La energa radiante genera una corriente en la interfase entre una capa semiconductora y un metal. Es sencillo, robusto, tiene bajo costo y no requiere fuente elctrica externa. Tiene como desventajas que la respuesta vara con la longitud de onda, experimenta fatiga a niveles de iluminacin altos y no responde bien a niveles de iluminacin bajos. Fototubos La radiacin causa la emisin de electrones de una superficie slida fotosensible. Tubos fotomultiplicadores Contienen una superficie fotoemisora, as como varias superficies adicionales que emiten una casca-da de electrones cuando son alcanzadas por los electrones procedentes del rea fotosensible. Es al-tamente sensible (pueden detectar un solo fotn) y el tiempo de respuesta extremadamente rpido. La desventaja es que presenta corriente oscura debido a electrones emitidos trmicamente, y debe enfriar por debajo de -30 C. Detectores de fotoconductividad La absorcin de la radiacin por un semiconductor produce electrones y huecos, dando lugar as a un aumento de la conductividad. Son los detectores ms sensibles para el cercano IR. Fotodiodos de silicio Los fotones aumentan la conductancia a travs de una unin pn polarizada inversamente. Son ms sensibles que el fototubo de vaco pero menos que el fotomultiplicador. Detectores de transferencia de carga Se recogen y miden las cargas desarrolladas en un cristal de silicio como resultado de la absorcin de fotones.

Los detectores de calor son empleados en la regin infrarroja. Esta regin posee muy poca energa por lo que la fotoemisin no es observada y de los detectores fotoelctricos solo aquellos en los que ocurre fotoconduccin pueden ser empleados. Los detectores trmicos responden al promedio del poder radiante aplicado. En estos detectores la radiacin incide sobre un pequeo cuerpo negro que la absorbe y produce un aumento en su temperatura, el cambio de T es por lo tanto la seal medida. El problema con estos detectores es que son muy sensibles al ruido trmico.

Termopares Consiste en un par de uniones que se forman soldando los extremos de dos piezas de un metal a otro metal distinto. Entre las dos uniones se genera un potencial que vara con la diferencia de tem-peratura de las uniones. Bolometros Es un tipo de termmetro de resistencia construido con lminas de metales, como platino o nquel, o a partir de un semiconductor; estos ltimos dispositivos frecuentemente se denominan termisto-res. Estos materiales muestran un cambio de resistencia relativamente grande en funcin de la tem-peratura. El elemento sensible es pequeo y est ennegrecido para absorber el calor radiante. Piroelectricos Se construyen a partir de una lmina cristalina de materiales piroelctricos, que son aislantes (mate-riales dielctricos) con unas propiedades trmicas y elctricas muy especiales. Cuando se aplica un campo elctrico a travs de cualquier material dielctrico, se produce una polarizacin elctrica cuya magnitud es funcin de la constante dielctrica del material. Para la mayora de los dielctricos, esta polarizacin inducida disminuye rpidamente hasta cero cuando se elimina el campo externo. Por el contrario, las sustancias piroelctricas mantienen una fuerte polarizacin dependiente de la tempera-tura despus de eliminar el campo. As, colocando el cristal piroelctrico entre dos electrodos (uno

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de ellos es transparente a la radiacin infrarroja) se obtiene un condensador dependiente de la tem-peratura.

1.2.7.5. Procesador de sea y dispositivos de lectura

El procesador de seal es generalmente un dispositivo electrnico que amplifica la seal elctrica del detector. Adems, puede cambiar la seal de corriente continua a corriente alterna (o a la inversa), cambiar la fase de la seal y filtrarla para eliminar los componentes no deseados. Adems, el procesador de seal puede utilizarse para llevar a cabo operaciones matemticas en la seal como diferenciar, integrar o convertir a loga-ritmo. Existen distintos tipos de dispositivos de lectura en los instrumentos modernos. Algunos de ellos son el medidor d'Arsonval, medidores digitales, escalas de potencimetros, registradores y tubos de rayos catdi-cos. 1.2.8. Diagramas de niveles de energa

El diagrama de niveles de energa de los electrones externos de un elemento proporciona un mtodo adecuado para la descripcin de los procesos en los que se basan los diversos mtodos de espectroscopia atmica. El diagrama del sodio, que se muestra en la Figura 8-1a, es un diagrama caracterstico. Obsrvese que la escala de energa es lineal en unidades de electrn-voltio (eV), asignando el valor cero al orbital 3s. La escala se extiende hasta unos 5,2 eV, la energa necesaria para arrancar el nico electrn 3s, y producir as un ion sodio.

Las energas de varios orbitales atmicos se indican en el diagrama mediante lneas horizontales. Ob-srvese que los orbitales p se desdoblan en dos niveles que difieren ligeramente en energa. Esta diferencia se explica asumiendo que un electrn gira alrededor de su propio eje y que la direccin de este movimiento puede ser la misma o la opuesta al movimiento orbital. Debido a la rotacin de la carga que transporta el electrn, tanto el movimiento de giro (o espn) como el movimiento orbital crean campos magnticos. Los dos campos interaccionan en el sentido de atraerse, si los dos movimientos se dan en direcciones opuestas; cuando los movimientos son paralelos, se origina una fuerza de repulsin. Como consecuencia, la energa del electrn cuyo espn se opone a su movimiento orbital es ligeramente menor que la de aqul en el que sus movimientos son iguales. Con los orbitales d y f se dan diferencias similares, pero sus magnitudes son gene-ralmente tan pequeas que resultan indetectables; por ello, en la Figura 8-1a slo se indica un nico nivel para los orbitales d. El desdoblamiento de los orbitales p, d y f de alta energa en dos estados es caracterstico de todas Las especies que contienen un nico electrn externo.

Fig. 1.11: Diagramas de niveles de energa para (a) sodio atmico y (b) ion magnesio. Obsrvese el parecido con el modelo de lneas, pero no en longitudes de onda reales.

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1.2.9. Ancho de las lneas atmicas

En espectroscopia atmica la anchura de las lneas atmicas es de considerable importancia. Por e-jemplo, las lneas estrechas son muy convenientes tanto para el trabajo en emisin como en absorcin, dado que as se reduce la posibilidad de interferencias debidas al solapamiento de espectros.

Las lneas de absorcin y de emisin atmica presentan una distribucin de longitudes de onda sim-trica respecto de la lambda del mximo. La energa asociada a este lambda mximo se corresponde con la diferencia de energa entre los dos estados cuantizados responsables de la absorcin o de la emisin. Se define como ancho de lnea o ancho lnea efectiva el medido a mitad de altura.

Ensanchamiento natural (principio de incertidumbre) Las lneas tienen anchuras finitas porque los tiempos de vida de los estados involucrados son finitos, hay incertidumbre en los tiempos de transicin y un ensanchamiento por el principio de incertidum-bre.

Ensanchamiento por efecto Doppler (o de temperatura) La longitud de onda de la radiacin emitida o absorbida por un tomo que se mueve disminuye si el movimiento es hacia el detector y aumenta si el tomo se aleja del mismo. Los tomos presentan una distribucin de velocidades de Maxwell-Boltzmann, el mximo desplazamiento Doppler lo presen-tan aquellos tomos que se mueven a las velocidades ms altas y en lnea con el detector. Los tomos que se mueven perpendicularmente al detector no experimentan ningn desplazamiento. De esta forma llega al detector una distribucin de longitudes de onda simtrica. En las llamas el efecto Doppler origina anchos dos rdenes de magnitud mayores que el ancho natural de lnea. Ensanchamiento por presin o colisiones (Lorentz) Por colisiones con especies emisoras o absorbentes con otros tomos e iones en el propio medio ca-lor calorfico. Estas colisiones provocan pequeos cambios en los niveles de energa del estado fun-damental y, por tanto, se origina una dispersin de las longitudes de onda emitidas o absorbidas. Ensanchamiento por efecto Holtsmark Ensanchamiento de resonancia por colisiones con tomos de la misma especie, despreciable en sis-temas convencionales. Ensanchamiento por efecto Stark Causado por campos elctricos intensos, slo lo afecta a sistemas de arco o chispa. Ensanchamiento por efecto Zeeman Causado por campos magnticos intensos. Se usa para correccin de fondo.

1.2.10. Efecto de la temperatura en los espectros atmicos

Una pequea variacin en la temperatura genera una gran variacin en el nmero de tomos en el estado excitado y por lo tanto en la intensidad de las lneas de emisin. Por lo tanto las tcnicas basadas en la emisin requieren un control riguroso de la temperatura de atomizacin.

En las medidas de absorcin y fluorescencia se emplea la gran mayora de tomos no excitados y la variacin de la temperatura no vara significativamente el nmero de tomos en el estado fundamental. Sin embargo, un aumento de la temperatura favorece la eficacia del proceso de atomizacin y por lo tanto el nmero de tomos en el vapor. Un aumento de la temperatura aumenta el efecto Doppler y por lo tanto aumenta el ensanchamiento de lnea.

Variaciones en la temperatura afectan el grado de ionizacin del analito y por lo tanto la concentra-cin del analito no ionizado. Todos estos efectos hacen necesario controlar la temperatura para las medidas cuantitativas de absorcin y fluorescencia.

Como la mayor poblacin de tomos se encuentra en el estado fundamental las tcnicas de absor-cin y fluorescencia atmica deberan ser ms sensibles que la tcnica de emisin atmica. Sin embargo, en la

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absorcin atmica se miden la diferencia A = log P0 - log P que si P0 y P son parecidas generan grandes erro-res relativos. En principio, los mtodos de fluorescencia atmica son los ms sensibles de los tres.

1.2.11. Introduccin de la muestra

El objetivo del sistema de introduccin de muestra en la espectrometra atmica es transferir una parte reproducible y representativa de la muestra a uno de los atomizadores citados con una elevada eficacia y sin efectos interferentes adversos. La facilidad con la que se alcanza este objetivo depende en gran medida del estado fsico y qumico del analito y de la matriz de la muestra.

1.2.11.1. Introduccin de la muestra en disolucin

Las disoluciones se introducen generalmente en el atomizador por mtodos que incluyen la nebuli-zacin, en la que la muestra se convierte en una niebla de pequeas gotitas finamente divididas (aerosol) por medio de un chorro de gas comprimido. El flujo de gas conduce a la muestra a la zona en la que tiene lugar la atomizacin.

Nebulizadores neumticos En un anlisis por espectrometra atmica, las