ESPECTROMETRIA DE ABSORCIÓN La espectrometría de

ESPECTROMETRIA DE ABSORCIÓN
La espectrometría de absorción implica la medida de la fracción de luz de una longitud
de onda dada que pasa a través de una muestra. La geometría del equipo se
representa en la siguiente figura. La muestra (como solución coloreada) no emite luz
por sí misma, por lo que se debe incluir una fuente de radiación.
Figura. Diseño de un equipo experimental para medir absorción o transmitancia a
una única longitud de onda.
La mayoría de las fuentes producen luz con longitudes de onda no deseadas además
de la deseada. (La excepción de esta característica general está en las fuentes de
radiofrecuencia y los láseres). El paso de la luz a través de un monocromador o un
filtro selecciona la longitud de onda para el análisis. La figura muestra el
monocromador entre la fuente y la muestra. Sin embargo, en otros diseños se colocan
policromadores en el lado opuesto de la muestra, entre la muestra y el transductor, y
en algunos instrumentos se sitúa ahí el monocromador.
Para los análisis, se hacen dos medidas de la cantidad de luz absorbida. En la
primera se mide la cantidad de luz (a la longitud de onda elegida) que llega al
transductor, cuando se coloca un blanco. Se denomina intensidad P0 del blanco, es
cuando la concentración del material analizado es cero.
La medida final se obtiene comparando la medida de las muestras o los
patrones de calibración con la medida del blanco. Llamamos P a la intensidad que se
mide con las muestras o con el estándar. La comparación que siempre se hace implica
la relación P/P0, con ambas intensidades medidas en la mismas condiciones del
instrumento – longitud de onda, geometría, etc.
Para los análisis, se hacen dos medidas de la cantidad de luz absorbida. En la
primera se mide la cantidad de luz (a la longitud de onda elegida) que llega al
transductor, cuando se coloca un blanco. Se denomina intensidad P0 del blanco, es
cuando la concentración del material analizado es cero.
La medida final se obtiene comparando la medida de las muestras o los
patrones de calibración con la medida del blanco. Llamamos P a la intensidad que se
mide con las muestras o con el estándar. La comparación que siempre se hace implica
la relación P/P0, con ambas intensidades medidas en la mismas condiciones del
instrumento – longitud de onda, geometría, etc.
Se utilizan tres términos diferentes para expresar esta relación. El primero es
simplemente la relación P/P0 y se denomina Transmitancia. El simbolo habitual para
la transmitancia es T.
(1)
El segundo es el porcentaje de transmitancia:
% T = T x 100
(2)
El tercero es el logaritmo negativo de T, se denomina Absorbancia y se abrevia como
A. La expresión algebraica para la absorbancia es:
(3)
También se utiliza otro nombre para la cantidad, densidad óptica, pero esta
denominación no es muy recomendada. Los términos utilizados en espectrometría de
absorción se dan en la siguiente tabla.
Tabla. Términos utilizados en espectrometría de absorción
Nombre de la unidad
Símbolo
Definición
Energía del fotón
E
Potencia radiante
oP
Cantidad de flujo de energía radiante por segundo (vatios)
Irradiancia
I
Flujo de energía por unidad de área por unidad de tiempo
Transmitancia
T
P/P0; relación de la potencia radiante que pasa a través
de una muestra P, con la potencia incidente en ella P0.
Porcentaje de transmitancia
%T
Absorbancia
A
E = hv
Tx 100
-logT = -log(P/P0)=log(P0/P) = log(I0/I)
Ejemplo:
¿Qué valores de absorbancia corresponden al 100% de T, 10% de T y 1% de T?
Solución
100%, 10%, y 1%, de T corresponden a transmitancia de 1,00, 0,10 y 0,010. A partir
de la definición de A:
100% T tiene A = - log 1 = 0
10% T tiene A = - log 0,10 = 1,0
1% T tiene A = - log 0,010 = 2,0
Absorbancia y Concentración
La absorbancia de una muestra es proporcional a la concentración de la sustancia que
absorbe la luz incidente. Experimentalmente, se muestra que:
A=abc
(4a)
En otras palabras, la absorbancia es directamente proporcional a:
a) Una constante que es una propiedad de la sustancia por sí misma así como de
la longitud de onda medida;
b) La longitud de paso óptico a trave´s del cual la luz viaja hacia la muestra;
c) La concentración de la sustancia que absorbe la luz. La diferencia entre c
utilizada como la velocidad de la luz y c como concentración será obvia según
el contexto.
La ecuación (4a) describe la Ley de Lambert-Beer. Cuando la concentración c se
expresa en (moles L-1) y la longitud de paso óptico en cm, entonces la constante a
tendrá las unidades (Lmol-1cm-1), en cuyo caso se le da el símbolo .  se denomina
coeficiente de extinción molar o absortividad molar (término correspondiente
preferido). Con las unidades incluidas, vemos:
A (adimensional) =  (L-1.mol.cm-1).b (cm).c(L.mol-1)
(4b)
O simplemente:
A=bc
(4b)
Es importante señalar que  depende de la medida de la longitud de onda. Así, a
menudo se describe el valor de  como:
(n,m), tal como 530
Para indicar que  se mide a  = 530nm.
Si no se indican las unidades, el uso de  implica generalmente unidades molares.
Otras unidades que podrían utilizarse para la absortividad son, por ejemplo, (μgL-1)1
cm-1. En este caso, la unidad de la concentración debe expresarse en (μgL-1).
Ejemplos.
Una disolución de níquel 5,00x10-4M se coloca en cubeta con una longitud de paso de
1,000cm. La absorbancia a 592nm es 0,446. ¿Cuánto vale  a 592nm?. Si una
disolución de níquel de concentración desconocida tiene una absorbancia de 0,125 a
la misma. ¿Cuál es su concentración?.
Se puede formular una aproximación, ya que la única diferencia entre las medidas es el cambio
en la concentración de las muestras medidas. Ya que 592 y b permanecen iguales.
Sustitución de los valores conocidos en la relación encontrada:
O bien Cdesconocido = 1,40x10-5M directamente.
Limitaciones de la Ley de Beer
La linearidad de la ley de Lambert-Beer es limitada por los factores químicos o instrumentales.
Las causas de la no-linearidad son:
 A concentraciones mayores a > 0,01M la distancia promedio entre las especies disminuye
hasta el punto en que cada una afecta la distribución de carga de sus vecinas alterando la
capacidad de absorción a una .
 En soluciones de baja concentración del absorbente pero a concentraciones elevadas de
otras especies (electrolitos), la gran proximidad de iones al absorbente altera
(interacciones electrostáticas) la absortividad molar. Este efecto se reduce al diluir.
 Dispersión de la luz debido a las partículas de la muestra
 Fluorescencia o fosforescencia de la muestra
 Cambios en la índice de refracción debido a las altas concentraciones
 Cambios en el equilibrio químico como función de la concentración
 Radiación no monocromática, las desviaciones pueden ser minimizadas usando una parte
uniforme del espectro de absorción como el máximo de absorción de banda
 Desviación de la luz.
Observaciones:
 Calibración: definición de respuesta en condiciones controlables (es igual si son
óptimas o no, mientras permanezcan constante a lo largo de la práctica)
 Interpolación, nunca extrapolación
ESPECTROSCOPÍA DE ABSORCIÓN ATÓMICA (AA)
Equipo de Absorción Atómica (AA) asociado a unGenerador de Hidruros.
La espectroscopia de absorción atómica (a menudo llamada AA) es un método que
determina una gran variedad de elementos.
Descripción
Es un método instrumental que esta basado en la atomización del analito en matriz
líquida y que utiliza comúnmente un nebulizador pre-quemador (o cámara de
nebulización) para crear una niebla de la muestra y un quemador con forma de ranura
que da una llama con una longitud de trayecto más larga. La niebla atómica es
desolvatada y expuesta a una energía a una determinada longitud de onda emitida ya
sea por una Lámpara de Cátodo hueco construida con el mismo analito a determinar o
una Lámpara de Descarga de Electrones (EDL). Normalmente las curvas de
calibración no cumplen la Ley de Beer-Lambert en su estricto rigor.
La temperatura de la llama es lo bastante baja para que la llama de por sí no excite
los átomos de la muestra de su estado fundamental. El nebulizador y la llama se usan
para desolvatar y atomizar la muestra, pero la excitación de los átomos del analito es
hecha por el uso de lámparas que brillan a través de la llama a diversas longitudes de
onda para cada tipo de analito.
En AA la cantidad de luz absorbida después de pasar a través de la llama determina la
cantidad de analito existente en la muestra. Hoy día se utiliza frecuentemente
una mufla de grafito (u horno de grafito) para calentar la muestra a fin de desolvatarla
y atomizarla, aumentando la sensibilidad.
El método del horno de grafito puede también analizar algunas muestras sólidas o
semisólidas. Debido a su buena sensibilidad y selectividad, sigue siendo un método de
análisis comúnmente usado para ciertos elementos traza en muestras acuosas (y
otros líquidos). Otro método alternativo de atomización es el Generador de Hidruros.
ATOMIZACIÓN CON LLAMA
En un atomizador con llama la disolución de la muestra es nebulizada mediante un
flujo de gas oxidante mezclado con el gas combustible y se transforma en una llama
donde se produce la atomización. El primer paso es la desolvatación en el que se
evapora el disolvente hasta producir un aerosol molecular sólido finamente dividido.
Luego, la disociación de la mayoría de estas moléculas produce un gas atómico.
Como primer paso, naturalmente, es necesario obtener una disolución de la muestra,
por ejemplo mediante fusión con peróxidos o por digestión ácida.
Tipos de llama
Combustible
Oxidante
Temperatura
Vel. de Combustión
Gas LP
Aire
1700-1900
39-43
Gas LP
Oxígeno
2700-2800
370-390
Hidrógeno
Aire
2000-2100
300-440
Hidrógeno
Oxígeno
2550-2700
900-1400
Acetileno
Aire
2100-2400
158-266
Acetileno
Oxígeno
3050-3150
1100-2480
Acetileno
Óxido nitroso
2600-2800
285
Estructura de llama
Las regiones más importantes de la llama son la zona de combustión primaria, secundaria y zona
interconal, esta última es la zona más rica en átomos libres y es la más ampliamente utilizada.
Perfiles de temperatura
La temperatura máxima se localiza aproximadamente 1cm por encima de la zona de combustión primaria
Atomizadores de llama
El aerosol formado por el flujo del gas oxidante, se mezcla con el combustible y se pasa a través de una
zona de flectores que eliminan las gotitas que no sean muy finas. Como consecuencia de la acción de
estas, la mayor parte de la muestra se recoge en el fondo de una cámara y se drena hacia un contenedor
de desechos. El aerosol, el oxidante y el combustible se queman en un mechero provisto de una ranura
de 1mm o 2 de ancho por 5 ó 10 mm de longitud. Estos mecheros proporcionan una llama relativamente
estable y larga, estas propiedades aumentan la sensibilidad y la reproducibilidad.
Reguladores de combustibles y oxidantes
Los caudales de oxidante y combustible constituyen variables importantes que requieren un control
preciso es deseable poder variar cada uno de ellos en un intervalo amplio para poder encontrar
experimentalmente las condiciones óptimas para la atomización
Características del Funcionamiento de los Atomizadores de llama
Señal de salida
La señal del detector aumenta al máximo algunos segundos después de la ignición
(Ignición ocurre cuando el calor que emite una reacción llega a ser suficiente como para sostener la reacción
química) y cae rápidamente a cero cuando los productos de atomización salen fuera.
Atomización en vapor frío
La técnica de vapor frío solamente aplicable a la determinación de mercurio ya que es
el único elemento metálico que tiene una presión vapor apreciable a temperatura
ambiente.
Fuentes de radiación
Los métodos analíticos basados en la absorción atómica son potencialmente muy
específicos, ya que las líneas de absorción atómica son considerablemente estrechas
(de 0,002 a 0,0005nm) y las energías de transición electrónica son específicas de
cada elemento
Lámpara de cátodo hueco
Este tipo de lámparas consiste en un ánodo de wolframio y un cátodo cilíndrico
cerradas herméticamente en un tubo de vidrio lleno con neón / argón a una presión de
1 a 5torr. El cátodo esta constituido con el metal cuyo espectro se desea obtener, o
bien, sirve de soporte para una capa de dicho metal. Una parte de estos átomos se
excitan con la luz que pasa a través de ellos y, de este modo, al volver al estado
fundamental emiten su radiación característica, los átomos metálicos se vuelven a
depositar difundiendo de nuevo hacia la superficie del cátodo o hacia las paredes del
vidrio. La configuración cilíndrica del cátodo tiende a concentrar la radiación en una
región limitada del tubo metálico, este diseño aumenta la probabilidad de que la
redepositación sea en el cátodo y no sobre la pared del vidrio.
Instrumentos de haz sencillo
Consiste en una fuente de cátodo hueco, un contador o una fuente de alimentación de
impulsos, un atomizador, un espectrofotómetro sencillo de red de difracción y un
detector. El haz de luz proveniente de la fuente pasa directamente a través de todos
los componentes del instrumento hasta llegar al detector.
Instrumentos de doble haz
Básicamente consta de las mismas partes que el sistema de haz sencillo, sólo que el
haz que proviene de la fuente de cátodo hueco se divide mediante un contador
reflejante y un divisor de haz, una mitad pasa a través de la llama y la otra es enviada
por un paso óptico interno. Los dos haces se encuentran nuevamente en el mismo
camino óptico mediante un espejo semiplateado o recombinador antes de entrar al
monocromador.
Monocromadores
Un monocromador es un dispositivo óptico que permite, por medio de un mecanismo,
seleccionar y transmitir una estrecha banda de longitudes de onda ya sean
electromagnéticas o no a partir de una fuente emisora que produzca una amplia gama
de
longitudes
de
onda.
El
nombre
monocromador
se
deriva
de
las
raíces griegas mono- que significa uno, y chroma, color; el sufijo -ador derivado del
latín denota la realización de una acción
Existen diversas combinaciones y distribuciones de los componentes ópticos dentro de
un monocromador que buscan optimizar la calidad del espectro generado. Las más
comunes son las denominadas, prisma de Nicoll o el de Litrow y Zcerny-Turner para
sistemas convencionales con redes de difracción holográficas. También se están
comenzando a utilizar monocromadores con redes Echelle.
Detectores
El detector es el dispositivo encargado de captar la señal óptica proveniente del
monocromador y transformarlo en una señal electrónica capaz de ser convertida en un
valor legible. El más común es el fotomultiplicador, tubo de vacío provisto de placas
fotosensibles que recibe los fotones, los convierte en impulsos electrónicos y multiplica
hasta obtener la suficiente intensidad eléctrica. En años reciente se están utilizando
también los detectores de estado sólido CCD, de alta sensibilidad asociados a los
monocromadores Echelle.
Interferencias
Se producen cuando la absorción o emisión de una especie interferente se solapa o aparece muy próxima
a la absorción o emisión del analito, de modo que su resolución por el monocromador resulte imposible.
Las interferencias químicas se producen como consecuencia de diversos procesos químicos que ocurren
durante la atomización y que alteran las características de absorción del analito. Dado que las líneas de
emisión de las fuentes de cátodo hueco son muy estrechas es rara la interferencia debida a la
superposición de las líneas, para que exista esta interferencia la separación entre las dos líneas tiene que
ser menor a 0,1 Å. Algunos instrumentos poseen Slit (rendija) y monocromadores muy finos que pueden
discernir en 0,1 nm de diferencia. Algunas matrices presentan señal de ruido que se elimina con el
background del instrumento permitiendo resultados
Formación de compuestos poco volátiles
El tipo más común de interferencia es el producido por aniones que forman compuestos de baja
volatilidad con el analito y reducen así su velocidad de atomización lo que origina resultados menores a
los esperados.
Tecnologías derivadas, ICP (Inductively Coupled Plasma)
Actualmente, las tecnologías de espectroscopia atómica están tendiendo a migrar de la "absorción" AA a
la "emisión". Esta tecnología es llamada Espectroscopía de Emisión Atómica por Plasma Acoplado
Inductivamente óICP por sus siglas en inglés. que da uso a otros tipos de descargas eléctricas, llamadas
plasmas, estas fuentes han sido usadas como fuentes de atomización / excitación para AA. Estas
técnicas incluyen el plasma inductivamente acoplado y el plasma acoplado directamente.
Neumática requerida
El plasma es generado por el gas argón que es el comburente y el gas nitrógeno que es un carrier o gás
de purga, adicionalmente es asistido por un gas de corte axial que es aire. El Gás Argón debe ser
99.996% mínimo de pureza y el gas de purga no menos de un 9.9999% de pureza. El gás Argón fluye
dentró del equipo a razón de unos 20-25 L/min y el de purga a 5 L/min. El gás de corte debe fluir a 25
L/min.
Sistema de enfriamiento
El acoplamiento se produce generando un campo magnético pasando una elevada corriente eléctrica de
alta frecuencia a través de una espiral (RF Coil) de inducción enfriada con un sistema Chiller. El núcleo
del oscilador se calienta enormemente generando unas 6.600 Btu/hora, esto requiere un sistema que
mantenga el detector, el inductor y el oscilador en temperaturas de -8 °C. Adicionalmente la temperatura
ambiente debe ser de 22±2 °C para evitar las incomodas reiniciaciones cuando el oscdilador varía en 1 °C
su temperatura de trabajo.
Características de la antorcha plasmática
El ICP permite analizar por efectos de ionización en elevadas temperaturas de plasma (8.000 °K) inducido
en campo magnético deargón casi la totalidad del sistema periódico exceptuando sodio, potasio y gases
nobles. El generador de hidruros usado en espectroscopía de AA no es necesario en esta técnica, aunque
algunos espesctroscopista que desean trabajan a concentraciones muy reducidas del orden de
los microgramos lo usan.
Nebulizadores
Un nebulizador es un aparato eléctrico que transforma a los líquidos en un vapor fino o rocío. El vapor
producido se conduce por un tubo de plástico transparente que está unido en uno de sus extremos a la
salida del aparato y en el otro a una pieza plástica que se coloca sobre la boca o se introduce en las fosas
nasales.
La forma geométrica de los nebulizadores usados en ICP son diversos y dependen del fabricante, en
general son cámaras asociadas al sistema del inyector, y este esta solidario a la antorcha plasmática y
operan por efecto Venturi cuando el gas argón es introducido a gran velocidad por un tubo capilar. Las
cámaras spray pueden ser de vidrios (ciclónicas-Gemcone)) o de PVC (cámaras tipo Scott o MEINHARD
de flujo cruzado) dependiendo de la cantidad de sólidos disueltos que presente la matriz del analito.
Un equipo ICP Plasma.
Fundamentos
El fundamento del método es analógicamente parecido a la técnica AA, el plasma recalentado es inducido
en un campo magnético y se forma una antorcha plasmática que es espectroscópica ya sea axial o
radialmente.
Se puede generar un plasma acoplado por inducción al dirigir la energía de un generador de frecuencia
de ondas de radio hacia un gas apropiado, comúnmente argón ICP.
Este inductor genera rápidamente un campo magnético oscilante orientado al plano vertical (axial o
perpendicular) de la espiral. La ionización del gas argón entrante se inicia con una chispa de la llamada
espiral de Tesla. Los iones resultantes y sus electrones asociados luego interactúan con el campo
magnético fluctuante. Esto genera energía suficiente para ionizar átomos de argón por excitación de
choque.
Los electrones generados en el campo magnético son acelerados perpendicularmente hacia la antorcha.
A altas velocidades, los cationes, aniones y electrones conocidos como corriente turbulenta (Corriente de
Eddy), colisionarán con los átomos de argón para producir mayor ionización, lo que produce un gran
aumento de temperatura.
En 2 microsegundos, se crea un estado estable con alta densidad electrónica. Se produce plasma en la
parte superior de la antorcha. La temperatura en el plasma varía entre 6000-10000 K, usualmente
8.000 K. Una larga y bien definida cola emerge desde la parte superior de la antorcha. Esta antorcha de
alta intensidad luminosa es la fuente espectroscópica que permite la técnica analítica. La misma contiene
todos los átomos del analito y los iones que fueron excitados por el calor del plasma. Las ventajas
analíticas del ICP -Plasma Acoplado por Inducción yace en su capacidad de analizar una gran cantidad
de analitos en un período corto con muy buenos límites de detección para la mayoría de los elementos.
Los elementos pueden ser analizados en forma axial para bajos límites de concentración, o radial para
elevadas concentraciones. La variante de análisis axial está definida en el área del óptico perpendicular a
la antorcha.
Óptica
El monocromador o sistema de esllos es parte de la propiedad del constructor del equipo y su perfomance
hace la diferencia entre una y otra marca; pero en general, estos sistemas que vienen sellados dentro de
un habitáculo cuentan con una serie de espejos de transferencia óptica, que son los primeros elementos
que reciben los haces ópticos de la antorcha. Estos son reflejados en lentes colimadores que los desvían
a un prisma que difracta en sus respectivas longitudes de onda y luego pasan por rendijas y de ahí son
recibidos por otro lente colimador que los envía al detector.
Versatilidad analítica
El ICP permite realizar un barrido simultáneo o secuencial según el tipo de construcción entregando un
reporte analítico en solo minutos, a diferencia del proceso analítico del AA que es muy laborioso.
Asimismo permite construir curvas de calibración a mayores o menores concentraciones del analito
obteniendo excelentes correlaciones concentración versus intensidad (medidos en cuentas por segundo).
No requiere de cambio de lámparas, solo ajustes del monocromador cada cierto tiempo. Las longitudes de
onda que se manejan dentro del sistema permiten una resolución de hasta 0.5nm.
Otra derivación es el ICP-Masa que es una variante de uso investigativo que adiciona un detector de
masa a la salida de la antorcha. Su uso está limitado a la investigación.
BIBLIOGRAFÍA
-
Principio de Análisis Instrumental. SKOOG, HOLLER y NIEMAN
Quinta Edición. Mc Graw Hill.
-
Análisis Instrumental. KENNETH A. RUBINSON y JUDITH F. RUBINSON
Prentice Hall. Madrid 2001.