Monocromadores

Monocromadores
En muchos métodos espectroscópicos e requiere variar en forma
continua la longitud de onda de la radiación en un intervalo amplio. Este
proceso se llama barrido del espectro; los monocromadores están diseñados
para realizar esto. Todos los monocromadores para radiación ultravioleta,
visible e infrarroja son similares en cuanto a su construcción mecánica porque
usan ranuras, lentes, espejos, ventanas y redes o prismas.
Componentes. Entre ellos están una ranura o rendija de entrada que
proporciona una imagen óptica rectangular; una lente o espejo colimador que
produce un haz paralelo de radiación; un prisma o una red que dispersa la
radiación en las longitudes de onda que la componen; un elemento de enfoque
que reforma la imagen de la ranura de entrada y la enfoca sobre una
superficie plana denominada plano focal y una rendija de salida en el plano
focal que aísla la banda espectral deseada. Además de los elementos que
impiden la entrada de suciedad o polvo que genere desviaciones en el haz.
Rendijas. Las aberturas o rendijas de un monocromador desempeñan un
papel importante en la determinación de las características y la calidad del
funcionamiento del mismo. Las mordazas de la rendija están formadas por dos
piezas de metal cuidadosamente maquinadas que dan lugar a dos bordes
afilados. Ambos bordes deben estar paralelos entre sí y en el mismo plano. En
algunos monocromadores, las aberturas de las dos rendijas están fijas, pero lo
más común es que la separación entre ellas se pueda ajustar con un
mecanismo micrométrico.
 La rendija de entrada de un monocromador funciona como una fuente
de radiación; su imagen se enfoca en última instancia en el plano focal
que contiene la rendija de salida. Si la fuente de radiación consta de
algunas longitudes de ondas discretas, aparece una serie de imágenes
rectangulares en esta superficie como líneas brillantes, y cada una
corresponde a cierta longitud de onda. Se puede enfocar una línea
particular en la rendija de salida haciendo girar el elemento dispersor.
 Los colimadores, como ya se ha dicho, son elementos que se encargan
de dar dirección al haz, con ellos se busca que todos los haces que
inciden sobre los elementos ópticos, sobre la muestra y finalmente al
detector sean paralelos entre si.
 Elementos dispersores. Hay dos tipos de dispersores en los
monocromadores, a saber, redes y prismas de reflexión. Para ilustrar su
función se considera un haz que emerge de la rendija de entrada
constituido por dos longitudes de onda λ1 y λ2 (λ1 > λ2). Esta radiación
se alinea y luego choca contra la superficie del elemento dispersor a un
cierto ángulo. En el monocromador de red, la dispersión angular de las
longitudes de onda es el resultado de la difracción, la cual se presenta
en la superficie reflectora; en cuanto al prisma, la refracción en las dos
caras da como resultado una dispersión angular de la radiación. En
ambos diseños, la radiación dispersada se enfoca en el plano focal
formado por la rendija de salida, alli aparece como dos imágenes
rectangulares de la rendija de entrada λ1 y λ2. Al girar el elemento
dispersor, una banda o la otra se puede enfocar en la rendija de salida.
Los monocromadores antiguos eran casi todos instrumentos con
prismas. En la actualidad, casi todos los que están disponibles en el
comercio se basan en redes de reflexión porque son más baratas de
fabricar, proporcionan mejor separación de longitudes de onda y
dispersan la radiación en forma lineal a lo largo del plano focal.
La dispersión lineal quiere decir que la posición de una banda a lo largo
del plano focal (rendija de salida) para una red varía en forma lineal con
su longitud de onda. Por lo que se refiere a los intrumentos con prismas,
las longitudes de onda más pequeñas se dispersan a un grado mayor
que las más grandes, lo cual complica el diseño del instrumento.
Los prismas se pueden utilizar para dispersar radiación UV, visible e
infrarroja. El material que se usa para construirlos es distinto, pues
depende de la región de longitud de onda.
La dispersión de la radiación ultravioleta, visible e infrarroja se puede
lograr dirigiendo un haz policromático a través de una red de
transmisión o sobre la superficie de una red de reflexión. La segunda es,
por mucho, la opción más común. Las redes réplica, que se usan en la
mayor parte de los moncromadores, se manufacturan a partir de una
red maestra. Esta es una superficie dura, ópticamente plana,
pulimentada con una gran cantidad de hendiduras paralelas muy
cercanas entre sí, hechas con una herramienta de diamante.
Una red para la región UV y visible tiene casi siempre de 300 a 2000
hendiduras/mm, y lo más común son 1200 a 1400. La manufactura de
una buena red maestra es tediosa, requiere mucho tiempo y es cara
porque las hendiduras tienen que ser de tamaño idéntico, exactamente
paralelas y la separación entre ellas debe ser la misma en toda la red (3
a 30 centímetros).
Las redes réplica se forman a partir de una red maestra por medio de
un proceso de vaciado con resina líquida con lo que conserva
virtualmente perfecta la exactitud óptica de la red original sobre una
superficie de resina transparente. Por lo regular, esta superficie se hace
reflectora mediante un revestimiento de aluminio o, a veces, de oro o de
platino.
La red denominada de difracción de escalerilla, esta constituida por
hendiduras o marcas de tal modo que tiene caras relativamente anchas
desde las cuales hay reflexión y caras angostas que no se unas. Esta
geometría proporciona una difracción de la radiación muy efectiva, y la
función de las marcas es concentrar la radiación de una dirección
preferida. Cada una de las caras anchas se puede considerar como una
fuente de líneas de radiación, por consiguiente, puede haber
interferencia entre los rayos reflejados. Para que la interferencia sea
constructiva se requiere que las longitudes de la trayectoria difieran por
un múltiplo entero n de la longitud de onda λ del rayo incidente.
nλ = d(sen i + sen r)
Esta ecuación hace pensar que hay varios valores de λ para un
ángulo de difracción dado r. Entonces, si una línea de primer orden (n =
1) de 900 nm se encuentra en r también aparecen en este ángulo líneas
de segundo orden (450 nm) y de tercer orden (300 nm). Por lo regular,
la línea de primer orden es la más intensa.
Las redes se pueden formar sobre una superficie cóncava de la misma
manera que en una superficie plana. Una red cóncava facilita el diseño
de un monocromador sin espejos o lentes auxiliares colimadores y de
enfoque porque la superficie cóncava además de dispersar la radiación
la enfoca en la rendija de salida. Esta disposición ofrece ventajas

respecto al costo; además, la reducción en la cantidad de superficies
ópticas aumenta la energía en la totalidad del monocromador.
Las redes holográficas están presentes cada vez más en los
instrumentos ópticos modernos, incluso en los más baratos. En la
preparación de estas redes los haces provenientes de un par de rayos
láser idénticos son dirigidos con ciertos ángulos aceptables sobre una
superficie de vidrio preparada con un recubrimiento fotográfico. Las
franjas de interferencia resultantes provenientes de los dos rayos
sensibilizan el recubrimiento fotográfico de modo que puede ser
disuelto, lo que deja una estructura en bajorrelieve que se puede cubrir
con aluminio u otra sustancia reflectora para producir una red de
reflexión. La separación de las hendiduras se puede modificar
cambiando entre sí el ángulo de los dos rayos láser. Con este
procedimiento se pueden fabricar redes grandes (~50 cm) casi
perfectas, de hasta 6000 líneas/mm a un costo relativamente bajo. Al
igual que con las redes rayadas, se pueden obtener por vaciado redes
réplica a partir de una red holográfica modelo. Al parecer, no hay
prueba óptica que pueda distinguir entre una red modelo y una red
holográfica reproducida.
Rendija de salida. Cuando la radiación dispersada choca con la rendija
de salida que esta ajustado para una determinada longitud de onda λ'' y
tanto la rendija de entrada como la de salida tienen la misma anchura.
La imagen de la rendija de entrada llena justo la rendija de salida. El
desplazamiento del monocromadora un ajuste de λ' y λ''' da como
resultado que la imagen se mueva y quede completamente fuera de la
rendija.
El ancho de banda efectivo de un monocromador depende de la
dispersión de la red o del prisma así como de la anchura de las rendijas de
entrada y de salida. La mayor parte de los monocromadores contiene rendijas
variables de modo que el ancho de banda efectivo se pueda modificar. Se
recomienda usar la anchura mínima de rendija cuando se debe resolver
bandas de absorción o de emisión angostas. Por otro lado, la potencia radiante
disponible disminuye de manera notable cuando las rendijas son angostas, y
se vuelve más difícil medir con exactitud la potencia. Por consiguiente, se
pueden usar anchuras de rendijas de salida más amplias para análisis
cuantitativo y no para el trabajo cualitativo, en el que son importantes los
detalles del espectro.
Características de desempeño de los monocromadores de red. La
calidad de un monocromador depende de la pureza de su salida radiante, su
aptitud para separar longitudes de onda adyacentes, su potencia para captar
luz y su ancho de banda espectral.
 Pureza del espectro. Por lo regular, el haz de salida de un
monocromador está contaminado con pequeñas cantidades de radiación
difundida o de radiación parásita cuyas longitudes de onda son muy
diferentes de las de los parámetros del instrumento. Esta radiación
indeseable proviene de varias fuentes. La reflexión desde las partes
ópticas es resultado de imperfecciones mecánicas, sobre todo en la red,
originadas durante la manufactura. La difusión de las partículas de
polvo en la atmósfera o en las superficies de las piezas ópticas también
hace que la radiación parásita llegue a la rendija de salida. En general,


los efectos de la radiación no esencial se reducen al mínimo
introduciendo mamparas en puntos convenientes del monocromador y
revistiendo las superficies interiores con pintura negra mate. Además, el
monocromador se sella y lleva ventanas en las rendijas para evitar la
entrada de polvo y vapores.
Dispersión de monocromadores de red. La aptitud de un
monocromador para separar longitudes de onda distintas depende de su
dispersión. La dispersión angular es dr/dλ, donde dr es el cambio en el
ángulo de reflexión al modificarse la longitud dλ.
La dispersión angular de una red se puede determinar derivando la
ecuación nλ = d(sen i + sen r) mientras i se mantiene constante.
Entonces, en cualquier ángulo de incidencia,
dr
n
=
d  d cos r
La dispersión lineal D se refiere a la variación en la longitud de onda en
función de y, que es la distancia a lo largo del plano focal. Si f es la
distancia focal del monocromador, la dispersión lineal se puede
relacionar con la dispersión angular mediante la relación
dy
dr
D=
=f
d
d
Al final se puede obtener la dispersión lineal recíproca para un
monocromador de red:
d  d cos r
D − 1=
=
dy
nf
Se observa que la dispersión angular aumenta cuando la distancia d
entre las rayas disminuye o cuando la distancia focal se incrementa.
Para toda cuestión práctica, si el ángulo r es pequeño (es el ángulo de
refexión), la dispersión lineal de un monocromador de red es constante,
una propiedad que simplifica en gran medida su diseño.
Potencia de resolución de los monocromadores. La potencia de
resolución R de un monocromador describe el límite de su capacidad
para separar las imágenes adyacentes que tienen una ligera diferencia
en la longitud de onda. Una mejor resolución es una característica de las
redes más grandes, de las separaciones más pequeñas entre marcas y de
los órdenes de difracción superiores.
Recipientes para las muestras
Las celdas o cubetas donde se colocan las muestras deben ser de un material
transparente a la radiación en la región del espectro que interesa. Por
consiguiente el cuarzo o sílice fundido se usan para trabajar en la región UV,
abajo de 350 nm. Estas dos sustancias son transparentes en la región visible y
también por arriba de casi 3 μm en la región infrarroja. Los vidrios de silicato
se pueden usar en la región entre 350 y 2000 nm. Los contenedores de
plástico también se usan en la región visible.
Fuente: D. A. Skoog, F. J. Holler, S. R. Crouch, Principios de análisis instrumental, 6ta edición,
Cengage Learning, México, 2008.