Absorción - RPS Qualitas

TÉCNICAS BASADAS EN LA ABSORCIÓN DE RADIACIÓN
________________________________________________
Absorción de radiación y concentración. Ley de Beer.
La espectroscopia de absorción molecular se basa en la medida de la transmitancia T
o de la absorbancia A de disoluciones que se encuentran en cubetas transparentes
que tienen un camino óptico de b cm. Normalmente, la concentración c de un analito
absorbente está relacionada linealmente con la absorbancia como representa la ley de
Beer.
A = −log T =log P0 / P = ε* b * c
Donde:
Término / símbolo
Definición
Potencia radiante /
P,P0
Energía (ergios) de la radiación que incide en
el detector por cm2 y por segundo
Absorbancia A
log P0 / P
Densidad óptica D,
extinción E
Transmitancia T
P / P0
Transmisión T
l, d
Camino óptico de la
radiación b
Absortividad a
Absortividad molar ε
Nombre / símbolo
alternativo
Intensidad de la
radiación / I, Io
A / bc
Coeficiente de
extinción k
A / bc
Coeficiente de
extinción molar
c puede expresarse en g/l o en otras unidades de concentración; b puede
expresarse en cm o en otras unidades de longitud. En ε, c se expresa en mol/l; b se
expresa en cm.
Esta figura muestra la atenuación de una radiación con una potencia inicial P0 por una
disolución que contiene c moles por litro de soluto absorbente y con un camino óptico
de b cm. P<P0.
___________________________________________________________________________________
RPS-Qualitas
Consultoría de Calidad y Laboratorio S.L.
La ley de Beer también se puede aplicar a un medio que contenga más de una clase
de sustancias absorbentes. Siempre que no haya interacción entre las distintas
especies, la absorbancia total para un sistema multicomponente viene dada por
A total = A1+A2+... +An = ε1bc1+ε2bc2+ … +εnbcn
En las que los subíndices se refieren a los componente absorbentes 1,2, …,n.
Frecuentemente se han encontrado desviaciones de la proporcionalidad entre la
medida de la absorbancia y la concentración. En algunas ocasiones están
relacionadas con el fundamento de la propia ley, y en otras nos encontramos con
desviaciones instrumentales y químicas.
Limitaciones propias a la ley de Beer. La ley describe de forma correcta el
comportamiento de absorción de un medio que contiene concentraciones de
analito relativamente bajas (generalmente <0.01M). Concentraciones altas de
absorbente o bien concentraciones bajas de absorbente pero altas de otras
especies (especialmente electrolitos), producen desviaciones de la linealidad
entre la absorbancia y la concentración. El efecto se reduce mediante dilución.
Desviaciones químicas. Se producen cuando un analito se disocia, se asocia o
reacciona con un disolvente para dar lugar a un producto con un espectro de
absorción diferente al del analito.
Desviaciones instrumentales. El cumplimiento estricto de la ley de Beer sólo
se observa cuando la radiación es realmente monocromática. En la práctica es
raro el uso de radiación restringida a una sola longitud de onda debido a que
los dispositivos que aíslan porciones de la señal de salida de una fuente
continua generan una banda de longitudes de onda más o menos simétrica en
torno a la deseada. Otras desviaciones instrumentales pueden ser originadas
por la radiación parásita, es decir, la radiación que emerge del monocromador
suele estar contaminada con pequeñas cantidades de radiación dispersada o
parásita. Ésta, con frecuencia difiere sustancialmente en la longitud de onda
de la radiación principal y además, puede no haber atravesado la muestra.
Espectrofotometría UV-vis.
Las medidas de absorción de radiación ultravioleta y visible tienen una gran
aplicación en la identificación y determinación de una enorme cantidad de especies
inorgánicas y orgánicas.
En este tipo de espectrometría se observan absortividades molares que van desde
5
cero hasta un máximo del orden de 10 . Para un pico particular la magnitud de ε
depende de la sección transversal de captura de las especies y de la probabilidad de
que tenga lugar una transición al absorber energía. Se ha demostrado que la relación
entre εy estas variables es ε= 8,7 × 1019 * P * A
donde P es la probabilidad de la transición y A el área de la sección transversal de la
2
molécula en cm .
___________________________________________________________________________________
RPS-Qualitas
Consultoría de Calidad y Laboratorio S.L.
La absorción de radiación ultravioleta o visible por una especie atómica o molecular M
se puede considerar como un proceso de dos etapas, la primera de ellas consiste en
una excitación electrónica como se muestra en la ecuación
M + hv → M
*
El producto de la reacción entre M y el fotón hv es una especie excitada
*
electrónicamente simbolizada por M . El tiempo de vida de la especie excitada es
-8
-9
breve (10 a 10 s), su existencia se termina por alguno de los distintos procesos de
relajación. La forma de relajación más común supone la conversión de la energía de
excitación en calor; es decir,
*
M → M + calor
*
La relajación puede ocurrir también por la descomposición de M para dar lugar a
nuevas especies; dicho proceso se denomina reacción fotoquímica. Es importante
*
destacar que el tiempo de vida de M es, generalmente, tan pequeño que su
concentración en cualquier momento es normalmente despreciable. Además, la
cantidad de energía térmica desarrollada en la relajación no es, habitualmente,
detectable. Por ello, las medidas de absorción crean una mínima perturbación del
sistema en estudio excepto cuando tiene lugar la descomposición fotoquímica.
La absorción de radiación ultravioleta o visible resulta, generalmente, de la excitación
de los electrones de enlace; como consecuencia, los picos de absorción pueden
correlacionarse con los tipos de enlaces de la especies objeto de estudio. La
espectroscopia de absorción molecular es, por tanto, válida para identificar grupos
funcionales en una molécula. Más importante, sin embargo, son las aplicaciones de la
espectroscopia de absorción ultravioleta y visible en la determinación cuantitativa de
compuestos que contienen grupos absorbentes.
Por lo comentado anteriormente sería útil clasificar las especies absorbentes en
función de los tipos de transiciones electrónicas. Dichas transiciones incluyen
electrones π, σy n, electrones d y f, y electrones de transferencia de carga.
Absorción atómica (AAS).
La espectrometría de absorción atómica (AAS) es el método más ampliamente
utilizado para la determinación de elementos en muestras analíticas, llegando a
alcanzar su uso generalizado en el análisis rutinario. Constituye un medio sensible
para la determinación cuantitativa de más de 60 elementos metálicos, ya que para los
elementos no metálicos al localizarse, por lo general, por debajo de los 200 nm, sólo
es posible su determinación con espectrofotómetros que operan en vacío.
Para la atomización de la muestra en este tipo de espectrometría existen dos métodos
habituales:
Atomización con llama: donde la muestra en disolución es nebulizada mediante
___________________________________________________________________________________
RPS-Qualitas
Consultoría de Calidad y Laboratorio S.L.
un flujo de gas oxidante, mezclado con el gas combustible, y se transporta a
una llama donde se produce la atomización. Siendo la atomización la etapa
más crítica y limitativa en la espectrometría de llama. Sin embargo en términos
de reproducibilidad, esta técnica resulta ser superior para la introducción de
muestras líquidas para la espectrometría atómica, a pesar de que en términos
de eficacia y sensibilidad otros métodos de atomización son mejores. Los
límites de detección se encuentran de 0,001 a 0,020 ppm del elemento, y su
error relativo del 1 al 2 %.
Atomización electrotérmica: donde unos pocos microlitros de muestra se
evaporan primero a baja temperatura y, luego se calcinan a una temperatura
algo más alta en un tubo o cubeta de grafito calentada eléctricamente; tras la
calcinación, la corriente se incrementa rápidamente a varios amperios
elevándose la temperatura a 2000 ó 3000 ºC, lográndose la atomización. Este
tipo de atomización ofrece la ventaja de su elevada sensibilidad para pequeños
-6
volúmenes de muestras: entre 0,5 y 10 µL, y su límite de detección: 2 x 10 a 1
-5
x 10 ppm, inferior al de llama, aunque su error relativo es mayor del orden del
5 %.
Los instrumentos para la espectrometría atómica son semejantes al diseño general, y
consiste en una fuente de radiación, una zona de muestra, un selector de longitud de
onda, un detector y un procesador de la señal y de la lectura de salida. Para esta
espectrometría, la zona de muestra es el atomizador que contiene la muestra gaseosa
atomizada.
En los métodos de absorción atómica se presentan dos tipos de interferencias:
espectrales que se producen cuando la absorción de una especia interferente se
solapa o aparece muy próxima a la absorción del analito, de modo que su resolución
por el monocromador resulta imposible; y químicas que se producen debido a los
diversos procesos químicos que ocurren durante la atomización y que alteran las
características de absorción del analito. Las dos interferencias pueden minimizarse
mediante unos métodos correctores adecuados.
___________________________________________________________________________________
RPS-Qualitas
Consultoría de Calidad y Laboratorio S.L.
Esquema de espectro de absorción atómica
___________________________________________________________________________________
RPS-Qualitas
Consultoría de Calidad y Laboratorio S.L.