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684CAPÍTULO 25
Instrumentos de espectrometría óptica
5)
1)
Figura 25.1Componentes de varios
instrumentos utilizados en espectroscopia óptica. En a) se muestra el arreglo
para hacer mediciones de absorción.
Note que la fuente de radiación de la
longitud de onda seleccionada es enviada
a través de la muestra, y la radiación
transmitida es medida por la unidad
detector/procesador de señales/lectura.
En algunos instrumentos, la posición de
la muestra y el selector de longitud de
onda se invierten. En b) se muestra la
configuración para realizar mediciones
de fluorescencia. Para esta medición,
se necesitan dos selectores de longitud
de onda para seleccionar la longitud de
onda de excitación y la de emisión. La
fuente seleccionada de radiación incide
en la muestra y la radiación emitida
es medida, usualmente a los ángulos
adecuados para evitar la detección de
la fuente de radiación y minimizar la
dispersión. En c) se muestra la configuración para la espectroscopia de emisión. En este instrumento, una fuente
de energía térmica, como una flama,
produce un vapor del analito que emite
radiación, la cual es aislada por el selector de longitud de onda y convertida en
una señal eléctrica por el detector.
2)
Selector de
longitud de onda
3) Muestra
4)
0
50
100
Detector
Fuente
Procesador de
señales y lectura
a)
5)
2)
4)
Selector de
longitud de onda
Detector
3) Muestra
2)
0
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100
Procesador de
señales y lectura
Selector de
longitud de onda
1) Fuente
b)
5)
1) Fuente
2)
4)
Selector de
longitud de onda
Detector
0
50
100
Procesador de
señales y lectura
3) Muestra
c)
La figura muestra que los componentes 3), 4) y 5) tienen configuraciones similares para
cada tipo de medición.
Los primeros dos diseños, para absorción y fluorescencia, requieren una fuente
externa de radiación. En las mediciones de absorción (véase la figura 25.1a), se mide la
atenuación de la fuente de radiación a la longitud de onda seleccionada. En las mediciones de fluorescencia (véase la figura 25.1b), la fuente excita el analito y provoca la emisión de radiación característica, la cual se mide generalmente de manera perpendicular
al rayo incidente que proviene de la fuente. En la espectroscopia de emisión (véase la
figura 25.1c), la muestra es el emisor por sí mismo y no se requiere ninguna fuente externa
de radiación. En los métodos de emisión, se suele introducir la muestra en un plasma o
una flama que provee la energía térmica suficiente para provocar que el analito emita una
radiación característica. Los métodos de fluorescencia y de emisión se describen en mayor
detalle en los capítulos 27 y 28, respectivamente.
25A.1 Materiales ópticos
Las celdas, ventanas, lentes, espejos y elementos para seleccionar longitudes de onda en
un instrumento utilizado para espectroscopia óptica deben transmitir la radiación en la
región de longitud de onda que se está investigando. La figura 25.2 muestra los intervalos
funcionales de longitud de onda para varios materiales ópticos que se utilizan en las regiones uv, visible e ir del espectro. Ordinariamente el vidrio de silicatos es satisfactorio para
A menos que se indique lo contrario, todo el contenido de esta página es de © Cengage Learning.
25A Componentes instrumentales685
uv
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LiF
Sílice fundida o cuarzo
Vidrio córex
Vidrio de silicatos
NaCl
AgCl
KBr
KRS-5; TlBr-TlI
100
200
400
700
1000 2000
4000
Longitud de onda, nm
7000 10,000 20,000 40,000
Figura 25.2Intervalos de transmitancia para varios materiales ópticos. Los vidrios simples funcionan
bien en la región visible, mientras
que se necesita sílice fundida o
cuarzo para trabajar en la región uv
(6380 nm). Las sales de halógeno
(KBr, NaCl y AgCl) se utilizan
frecuentemente en la región ir,
aunque tienen como desventajas su
elevado costo y su relativa solubilidad en agua.
la región visible y tiene como ventaja considerable su bajo costo. En la región uv, a longitudes de onda menores que aproximadamente 380 nm, el vidrio comienza a absorber
y debe ser sustituido por sílice fundida o cuarzo. En la región ir, el vidrio, el cuarzo y la
sílice fundida absorben a longitudes de onda mayores que aproximadamente 2.5 mm. Por
lo tanto, los elementos ópticos para espectrometría ir generalmente están hechos de sales
de halógeno o en algunos casos de materiales poliméricos.
25A.2 Fuentes espectroscópicas
Para ser adecuada para estudios espectroscópicos, una fuente debe generar un haz de radiación lo suficientemente potente para ser detectado y medido de manera fácil. Además, la
corriente de salida debe ser estable por periodos razonables de tiempo. Típicamente, para
que haya una buena estabilidad, la alimentación de la fuente debe estar bien regulada. Las
fuentes espectroscópicas pueden ser de dos tipos: fuentes continuas, las cuales emiten
radiación que solo cambia de intensidad lentamente en función de la longitud de onda,
y las fuentes lineales, que emiten un número limitado de líneas espectrales, cada una de
las cuales abarca un intervalo de longitud de onda muy estrecho. La distinción entre estas
dos fuentes está ilustrada en la figura 25.3. Las fuentes también pueden clasificarse como
fuentes continuas, lo cual hace referencia al hecho de que emiten radiación de manera
continua con el tiempo, o fuentes pulsadas, las cuales emiten radiación en ráfagas.
Una fuente continua proporciona
una distribución amplia de longitudes de onda dentro de un intervalo
espectral particular. Esta distribución se conoce como espectro
continuo. Una fuente lineal emite
un número limitado de líneas espectrales estrechas.
Intensidad
a)
b)
Longitud de onda
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Figura 25.3Espectros de dos
fuentes espectrales distintas. El
espectro de una fuente continua
a) es mucho más ancho que el de
una fuente lineal b).
686CAPÍTULO 25
Instrumentos de espectrometría óptica
TABLA 25.1
Fuentes continuas para espectroscopia óptica
Fuente
Intensidad
a)
500
1000 1500 2000
Longitud de onda, nm
b)
Figura 25.4a) Lámpara de
tungsteno del tipo que se utiliza
en espectroscopia y su espectro b).
La intensidad de la fuente de
tungsteno es generalmente bastante
baja a longitudes de onda menores
que 350 nm. Note que la intensidad alcanza un máximo en la
región ir cercano del espectro
(< 1200 nm en este caso).
Región de longitud de onda, nm
Tipo de espectroscopia
Lámpara de arco de xenón
250–600
Fluorescencia molecular
Lámparas de H2 y D2
160–380
Absorción molecular uv
Lámpara de tungsteno/
halógeno
240–2500
Absorción molecular uv/visible/ir
cercano
Lámpara de tungsteno
350–2200
Absorción molecular visible/ ir
cercano
Lámpara de Nernst
400–20,000
Absorción molecular ir
Alambre de nicromo
750–20,000
Absorción molecular ir
Globar
1200–40,000
Absorción molecular ir
Fuentes continuas en la región ultravioleta/visible
Las fuentes continuas más utilizadas están enlistadas en la tabla 25.1. Una lámpara ordinaria con filamento de tungsteno provee una amplia distribución de longitudes de onda
de 320 a 2500 nm (véase la figura 25.4). Generalmente estas lámparas operan a una
temperatura que está alrededor de los 2900 K, por lo tanto, producen radiación útil en el
intervalo de los 350 a los 2500 nm.
Las lámparas de tungsteno/halógeno, también llamadas lámparas de cuarzo/halógeno,
contienen una pequeña cantidad de yodo dentro de una envoltura de cuarzo que alberga el
filamento. El cuarzo permite que el filamento sea operado a temperaturas de aproximadamente 3500 K, lo que permite que se produzcan intensidades mayores y que se extienda el
intervalo de la lámpara hacia el uv. La vida media de una lámpara de tungsteno/halógeno
es más del doble que el de una lámpara ordinaria de tungsteno, el cual está limitado por la
sublimación del tungsteno del filamento. En presencia de yodo, el tungsteno sublimado
reacciona para producir moléculas de WI2 gaseoso. Estas moléculas difunden de regreso al
filamento caliente donde se descomponen, redepositan átomos de W en el filamento y liberan yodo. Las lámparas de tungsteno/halógeno están siendo utilizadas con mayor frecuencia en la fabricación de instrumentos espectroscópicos debido a su intervalo amplio de
longitudes de onda, a que tienen una intensidad mayor y una vida media más larga.
Las lámparas de deuterio (y también las de hidrógeno) se utilizan de manera común
para proveer una radiación continua en la región uv. Una lámpara de deuterio está formada por un tubo cilíndrico que contiene deuterio a baja presión con una ventana de
cuarzo a través de la cual sale la radiación, como se muestra en la figura 25.5. La lámpara
emite radiación continua cuando el deuterio (o el hidrógeno) se estimula por energía eléctrica para producir la molécula excitada de D2* (o H2*). Las especies en estado excitado
se disocian posteriormente para producir dos átomos de hidrógeno o deuterio y un fotón
ultravioleta. Las reacciones para el hidrógeno son:
H2 1 Ee S H2* S H' 1 H'' 1 hv
donde Ee es la energía eléctrica absorbida por la molécula. La energía para el proceso global es:
Ee 5 EH2* 5 EH' 1 EH'' 1 hv
donde EH2 es la energía cuantizada fija de H2*, y EH9 y EH0 son las energías cinéticas de los
dos átomos de hidrógeno. La suma de las últimas dos energías puede variar desde cero hasta
EH2*. Por lo tanto, la energía y la frecuencia del fotón también pueden variar dentro de este
intervalo de energías. Esto significa que cuando las dos energías cinéticas son pequeñas,
hv es grande, y cuando las dos energías son grandes, hv es pequeña. Como resultado, las
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25A Componentes instrumentales687
lámparas de hidrógeno producen un espectro continuo verdadero que va desde los 160 nm
hasta el comienzo de la región visible. Hoy en día, la mayoría de las lámparas para generar
radiación ultravioleta contiene deuterio y son de bajo voltaje en las que se forma un arco
entre un filamento que se calienta, cubierto de óxido, y un electrodo metálico (véase la
figura 25.5a). El filamento calentado proporciona electrones para mantener una corriente
directa a un potencial de aproximadamente 40 V; se requiere una fuente de potencia o energía regulada para mantener intensidades constantes. Tanto las lámparas de deuterio como
las de hidrógeno proporcionan un espectro continuo útil en la región que va de los 160 a
los 375 nm, como se muestra en la figura 25.5b. Sin embargo, la lámpara de deuterio se
utiliza más comúnmente que la lámpara de hidrógeno, debido a que la lámpara de deuterio
es más intensa. A longitudes de onda mayores (7360 nm), las lámparas generan líneas de
emisión que se sobreponen en el continuo. Para muchas aplicaciones, estas líneas son interferencias, pero son útiles para calibrar la longitud de onda de instrumentos de absorción.
a)
10–1
E , W cm–2 • nm–1
Otras fuentes ultravioleta/visible
Además de las fuentes continuas que se acaban de discutir, las fuentes lineales también
son importantes para usarse en la región uv/visible. Las lámparas de arco de mercurio de
baja presión son fuentes comunes que se utilizan en detectores de cromatografía líquida.
La línea dominante emitida por estas fuentes es la línea de Hg de 253.7 nm. Las lámparas
de cátodo hueco también son fuentes lineales comunes que se usan de manera específica
para la espectroscopia de absorción atómica, como se discute en el capítulo 28. Los láseres
(véase el artículo 25.1) también se utilizan en muchas aplicaciones espectroscópicas, tanto
para longitudes de onda individuales como para barridos.
10–2
ARTÍCULO 25.1
10–3
Fuentes láser: la luz fantástica
200
Los láseres han sido utilizados ampliamente como fuentes en ciertos tipos de espectroscopia
analítica. Para ayudarnos a entender cómo funcionan los láseres, se va a considerar un ensamble de átomos o moléculas que interactúan con una onda electromagnética. Por simplicidad, se va a considerar que los átomos o moléculas tienen dos niveles de energía: un nivel
superior 2 con energía E2 y un nivel inferior 1 con energía E1. Si la onda electromagnética
tiene una frecuencia que corresponde a la diferencia de energía entre estos dos niveles, las
especies excitadas en el nivel 2 pueden ser estimuladas para emitir radiación en la misma
frecuencia y fase que la onda electromagnética original. Cada emisión estimulada genera
un fotón, mientras que cada absorción remueve un fotón. El número de fotones por segundo, llamados flujo radiante F, cambia con la distancia a medida que la radiación interactúa con el ensamble de átomos o moléculas. El cambio en el flujo, dF, es proporcional
al flujo en sí, a la diferencia en las poblaciones de los niveles, n2 – n1, y a la longitud de
trayectoria de la interacción, dz, de acuerdo con:
dF 5 kF(n2 2 n1)dz
donde k es una constante de proporcionalidad relacionada con la absortividad de la especie
que absorbe. Si la población del nivel superior puede ser llevada a exceder la del nivel inferior,
habrá una ganancia neta en el flujo y el sistema se va a comportar como un amplificador. Si
n2 7 n1, se dice que el sistema atómico o molecular es un medio activo y que ha experimentado una inversión poblacional. El amplificador resultante se denomina láser, cuyas siglas
en inglés significan amplificación de la luz mediante la emisión estimulada de radiación.
El amplificador óptico puede ser convertido en un oscilador al colocar el medio activo dentro de una cavidad resonante formada por dos espejos como se muestra en la
(continúa)
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300
400
Longitud de onda, nm
b)
Figura 25.5a) Lámpara de deuterio del tipo que se utiliza en los
espectrofotómetros y b) su espectro.
Note que la intensidad máxima,
proporcional a la irradiancia El,
ocurre a < 225 nm. Típicamente,
los instrumentos cambian de deuterio a tungsteno a < 350 nm.
688CAPÍTULO 25
Instrumentos de espectrometría óptica
Espejo de salida
parcialmente transparente
Espejo
Medio activo
Haz de
salida
Figura 25A.1Cavidad de un láser. La onda electromagnética viaja de atrás hacia delante entre
los espejos, y la onda se amplifica cada vez que pasa. El espejo de salida es parcialmente transparente para permitir que solo pase una fracción del haz o rayo hacia el exterior de la cavidad.
figura 25A.1. Cuando la ganancia del medio activo es igual a las pérdidas en el sistema,
la oscilación láser comienza.
La inversión de la población generalmente se alcanza en un sistema multinivel atómico
o molecular en el que el proceso de excitación, llamado bombeo, se consigue por medios
eléctricos, por métodos ópticos o por reacciones químicas. En algunos casos, la inversión
de la población puede ser sostenida para producir una onda continua (CW, por sus siglas
en inglés) como haz de salida, el cual es continuo con respecto al tiempo. En otros casos, la
acción de láser es de terminación autónoma, de tal manera que el láser es operado en un
modo pulsado para producir un tren de pulsos repetidos o una sola descarga.1
Hay muchos tipos de láseres disponibles. Los primeros láseres que se utilizaron fueron
los láseres de estado sólido en los que el medio activo era un cristal de rubí. Además de los
láseres basados en cristales de rubí, hay muchos otros láseres de estado sólido. Un material
ampliamente utilizado contiene una pequeña concentración de Nd31 embebida en una
mezcla de itrio-aluminio-granate (iag o yag). El material activo tiene forma de varilla y es
bombeado ópticamente por medio de una lámpara de centelleo o destello, como se ilustra
en la figura 25A.2a. La bomba y las transiciones del láser se muestran en la figura 25A.2b.
El láser de Nd:iag genera pulsos en nanosegundos que tienen una energía de salida bastante alta a una longitud de onda de 1.06 mm. El láser de Nd:iag es popular como fuente
de bombeo para los láseres de colorantes sintonizables.
Muchos otros elementos de tierras raras, como iterbio, holmio y erbio, se utilizan como
dopantes en los láseres de estado sólido. El zafiro dopado con titanio (Ti:zafiro) se utiliza
para producir láseres infrarrojos sintonizables. Algunas versiones generan pulsos ultracortos
con muy alta energía de salida.
El láser de helio-neón (He-Ne) es muy común y es un láser de gas que opera en una
modalidad de onda continua (cw). El láser de He-Ne es muy utilizado como auxiliar óptico de alineación y como fuente para algunos tipos de espectroscopia. Los láseres de nitrógeno se basan en la transición de la molécula de nitrógeno a 337.1 nm. Estos son láseres
de pulsos de terminación autónoma que requieren un pulso eléctrico muy corto para bombear las transiciones apropiadas. El láser de N2 también se utiliza para bombear láseres de
colorantes sintonizables, como se discutirá más adelante. Los láseres de excímeros (dímero
o trímero excitado) están entre los láseres de gases más novedosos. Los láseres de excímeros
de haluros gaseosos enrarecidos se crearon en 1975. En otro tipo de láser muy popular, una
mezcla gaseosa de Ar, F2 y He produce excímeros de ArF cuando se somete dicha mezcla
a una descarga eléctrica. El láser de excímeros es una fuente importante de radiación uv
para estudios fotoquímicos, para aplicaciones de fluorescencia y para bombear láseres de
colorantes sintonizables.
Los láseres de colorantes son láseres líquidos que contienen un colorante fluorescente
como alguna de las rodaminas, una cumarina o una fluoresceína. Estos láseres se han desarrollado para emitir en longitudes de onda que van desde el ir hasta el uv. La emisión
1
Para información adicional, véase J. D. Ingle y S. R. Crouch, Spectrochemical Analysis, Upper Saddle River, NJ:
Prentice Hall, 1988.
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25A Componentes instrumentales689
Espejo
Lámpara
de centelleo
Filtro
Salida
del láser
Polarizador
Interruptor Q
Lámpara
de centelleo
a)
Espejo
de salida
Varilla
de iag
Transiciones
no radiantes
730 nm
800 nm
Salida
del láser
1.06 μm
Transiciones
de la bomba
b)
Figura 25A.2Representación esquemática del láser de Nd:iag a) y los niveles de energía b).
Las transiciones de bombeo están en la región roja del espectro, y la salida del láser está en el
infrarrojo cercano. El láser es bombeado por la lámpara de centelleo. La región entre los dos
espejos es la cavidad del láser.
ocurre entre el primer estado de singulete excitado y el estado basal. Los láseres pueden
ser bombeados con lámparas de centelleo o con otro láser como los que se discutieron previamente. La emisión por parte del láser puede ser sostenida en un intervalo continuo de
longitudes de onda en el orden de 40 a 50 nm. La banda ancha en que emite el láser hace
que los láseres de colorantes puedan sintonizarse insertando una rejilla, un filtro, un prisma
o un elemento interferométrico en la cavidad del láser. Los láseres de colorantes son muy
útiles para la espectroscopia de fluorescencia molecular y para muchas otras aplicaciones.
Los láseres semiconductores, también conocidos como láseres de diodo, obtienen una
inversión de población entre la banda de conducción y la banda de valencia de la unión-pn
de un diodo. Se pueden utilizar diversas composiciones del material semiconductor para
producir longitudes de onda de salida distintas. Los láseres de diodo se pueden sintonizar
a intervalos de longitudes de onda pequeños y pueden producir salidas en la región ir del
espectro. Se han vuelto extremadamente útiles en los reproductores de cd y dvd, en las
unidades de cd-rom, en las impresiones láser y en aplicaciones espectroscópicas, como la
espectroscopia de Raman.
La radiación láser es altamente direccional, espectralmente pura, coherente2 y muy intensa. Estas propiedades han hecho posible el desarrollo de muchas aplicaciones únicas
que no se pueden conseguir con fuentes convencionales. A pesar de todos los avances en
la ciencia y tecnología láser, solo en últimas fechas se ha comenzado a utilizar los láseres de
manera rutinaria en los instrumentos analíticos. Aun hoy, muchos láseres de alta potencia
o de alta velocidad pueden ser difíciles de alinear, mantener y utilizar.
2
La radiación coherente es aquella radiación en que las ondas están en fase una con otra.
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El estado de singulete es un estado
electrónico de una molécula en el
que todos los espines de los electrones están apareados.
690CAPÍTULO 25
Instrumentos de espectrometría óptica
Fuentes continuas en la región infrarroja
Las fuentes continuas de radiación ir normalmente son sólidos inertes calentados. Una
fuente Globar consiste en una varilla de carburo de silicio. La radiación infrarroja se
emite cuando el Globar se calienta hasta aproximadamente 1500 oC al hacer pasar una
corriente eléctrica a través de él. La tabla 25.1 muestra el intervalo de longitud de onda
para estas fuentes.
La lámpara de Nernst es un cilindro de circonio y óxidos de itrio que emite radiación
ir cuando se calienta a altas temperaturas con ayuda de una corriente eléctrica. Las espirales de alambre de nicromo calentadas eléctricamente también funcionan como fuentes
económicas de radiación ir.
25A.3 Selectores de longitudes de onda
Los instrumentos espectroscópicos que funcionan en las regiones uv y visibles generalmente están equipados con uno o más dispositivos para restringir la radiación que se está
midiendo en una banda angosta que es absorbida o emitida por el analito. Estos dispositivos incrementan de manera significativa tanto la selectividad como la sensibilidad de
un instrumento. Además, para las mediciones de absorción, como se estudió en la sección 24C.3, las bandas estrechas de radiación disminuyen enormemente la posibilidad de
observar desviaciones en la ley de Beer debidas a la radiación policromática. Muchos instrumentos utilizan un monocromador o un filtro para aislar una banda de la longitud de
onda deseada, de tal manera que solo se detecta y mide la banda de interés. Otros utilizan
un espectrógrafo para desdoblar, o dispersar, las longitudes de onda de tal manera que se
pueden detectar con un detector multicanal.
Monocromadores y policromadores
Los monocromadores por lo general tienen una rejilla de difracción (véase el artículo 25.3)
para dispersar la radiación en sus longitudes de onda, como se muestra en la figura 26.6a.
Los instrumentos más antiguos utilizaban prismas para este propósito, como se observa en
Espejos
cóncavos
l11 l2
a)
Figura 25.6Tipos de monocromadores: a) monocromador de rejilla; b) monocromador de prisma.
El diseño del monocromador en
a) es un diseño de Czerny-Turner,
mientras que el monocromador de
prisma en b) tiene un diseño Bunsen. En ambos casos l1 . l2.
Ranura
de entrada
Rejilla de
reflexión
A l2
Ranura
de salida
l1 B Plano
focal
Plano
focal
l11l2
l1
Ranura
de entrada
b)
Lente
colimador
Prisma
Lente de
enfoque
l2
A
B
Ranura
de salida
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25A Componentes instrumentales691
3
La función de rendija es aproximadamente triangular. Varios factores instrumentales se combinan para producir la forma mostrada en la figura 25.7.
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Un espectrógrafo es un dispositivo
que utiliza una rejilla para dispersar
un espectro. Contiene una apertura
de entrada para definir el área de la
fuente que se va a visualizar. Una
apertura larga de salida permite que
un intervalo de longitudes de onda
incida en un detector múltiple. Un
monocromador es un dispositivo
que contiene una apertura de entrada y una de salida. La apertura
de salida se utiliza para aislar una
pequeña banda de longitudes de
onda. Se aísla una banda a la vez y
se pueden transmitir diferentes bandas de forma secuencial al rotar la
rejilla. Un policromador contiene
múltiples aperturas de salida de tal
manera que se pueden aislar varias
bandas de longitud de onda de manera simultánea.
h
Energía radiante
la figura 25.6b. Al rotar la rejilla, se puede hacer que pasen diferentes longitudes de onda a
través de la ranura o rendija de salida. La longitud de onda de salida de un monocromador
es continuamente variable en un intervalo espectral considerable. El intervalo de longitudes
de onda que deja pasar un monocromador, llamado pase de banda espectral o ancho de
banda efectivo, puede ser menor que 1 nm para instrumentos relativamente caros o de más
de 20 nm para sistemas económicos. Debido a la facilidad con que se cambia la longitud de
onda en un instrumento basado en monocromadores, estos sistemas se utilizan ampliamente
para aplicaciones de barrido espectral, así como para aplicaciones que requieren una longitud
de onda fija. Con un instrumento que contiene un espectrógrafo, se invierten la muestra y
el selector de longitud de onda con respecto a la configuración mostrada en la figura 25.1a.
Como el monocromador, el espectrógrafo contiene una rejilla de difracción para dispersar
el espectro. Sin embargo, el espectrógrafo no tiene ranura de salida, por lo que el espectro
dispersado entra en un detector de múltiples longitudes de onda. Otros instrumentos que
se utilizan para espectroscopia de emisión contienen un dispositivo conocido como policromador, el cual contiene múltiples ranuras de salida y múltiples detectores. Este arreglo
permite la medición de múltiples longitudes de onda discretas de manera simultánea.
La figura 25.6a muestra el diseño de un monocromador de rejilla típico. La radiación de
una fuente entra al monocromador a través de una estrecha apertura rectangular o ranura.
La radiación es colimada después por un espejo cóncavo, que produce un haz paralelo que
golpea la superficie de una rejilla de reflexión. La dispersión angular es el resultado de la
difracción que ocurre en la superficie reflectiva. Con fines ilustrativos, la radiación que entra
al monocromador se muestra como si estuviera compuesta de solo dos longitudes de onda,
l1 y l2, donde l1 es más larga que l2. La trayectoria de la radiación de longitud de onda
más larga después de que es reflejada de la rejilla se representa con líneas punteadas; la
línea sólida muestra la trayectoria de la longitud de onda más corta. Note que la radiación
con longitud de onda más corta l2 es reflejada de la rejilla a un ángulo más agudo que l1.
Esto significa que la dispersión angular de la radiación ocurre en la superficie de la rejilla.
Las dos longitudes de onda se enfocan por otro espejo cóncavo hacia el plano focal del
monocromador, donde aparecen como dos imágenes de la ranura de entrada, una para l1
y la otra para l2. Al rotar la rejilla cualquiera de estas imágenes puede ser enfocada en la
ranura de salida. Si se localiza un detector en la ranura de salida del monocromador mostrado en la figura 25.6a y la rejilla se rota de tal manera que una de las líneas mostradas
(por decir, l1) sea escaneada a través de la ranura desde l1 – dl a l1 1 dl (donde dl es
una pequeña diferencia de longitud de onda), a la salida del detector se puede observar la
figura 25.7.3 El ancho de banda efectivo del monocromador que está definido en la figura
depende del tamaño y de la calidad del elemento dispersante, los anchos de la ranura y la
longitud focal del monocromador. Un monocromador de alta calidad exhibirá un ancho
de banda efectivo de unos cuantos décimos de nanómetro o menos en la región ultravioleta/visible. El ancho de banda efectivo de un monocromador que tiene un desempeño
satisfactorio para la mayoría de las aplicaciones cuantitativas es de entre 1 y 20 nm.
Muchos monocromadores están equipados con ranuras ajustables que permiten tener
algo de control sobre el ancho de banda. Una ranura estrecha disminuye el ancho de
banda efectivo, pero también disminuye el poder del haz emergente. Por lo tanto, el
ancho de banda mínimo puede estar limitado por la sensibilidad del detector en la práctica. Para análisis cualitativos, se necesitan ranuras estrechas y anchos de banda mínimos
cuando el espectro está hecho de picos estrechos. Para el trabajo cuantitativo, por otro
lado, las ranuras más amplias permiten la operación del sistema de detector a una menor
amplificación, lo cual a su vez aumenta la reproducibilidad de la respuesta.
Ancho
de banda
efectivo
1/2 h
l1 2 dl
l1
l1 1 dl
Ajuste de longitud
de onda del monocromador
Figura 25.7 Datos que salen de
la rendija de salida cuando el monocromador se escanea de l1 – dl
a l1 1 dl.
El ancho de banda efectivo de un
selector de longitud de onda es el
ancho de la banda de radiación en
unidades de longitud de onda a una
altura de pico media.
692CAPÍTULO 25
Instrumentos de espectrometría óptica
Rayos difractados
3
en el ángulo
de reflexión r
2
Rayos
monocromáticos
en el ángulo 2
incidente i
1
Figura 25.8Mecanismo de
difracción de una rejilla tipo escalonado. El ángulo i a partir de la
normal de la rejilla es el ángulo del
rayo incidente; el ángulo r es el ángulo del rayo reflejado. La distancia
entre los escalones sucesivos es d.
1
3
Normal
de la rejilla
r
i
C
D
B
A
d
Rejillas
La mayoría de las rejillas en los monocromadores modernos son rejillas réplica, las cuales
se obtienen fabricando moldes de una rejilla maestra. Esta consta de una superficie dura,
ópticamente plana y pulida en la que mediante una herramienta de diamante con forma
adecuada se hace un gran número de surcos o ranuras paralelos muy cercanos entre sí. Un
corte transversal amplificado de algunos de estos surcos característicos se muestra en la
figura 25.8. Una rejilla para las regiones ultravioleta y visible típicamente tiene de 50 a
6000 surcos/mm, por lo general las rejillas tienen de 1200 a 2400 de manera común. La
construcción de una buena rejilla maestra es tediosa, consume mucho tiempo y es muy
cara debido a que los surcos deben ser idénticos en tamaño, exactamente paralelos y deben
tener el mismo espacio entre cada uno a lo largo de toda la rejilla (3 a 10 cm). Las rejillas
réplica se forman a partir de la rejilla maestra por medio de un proceso de moldeado con
resina líquida que preserva de forma muy eficiente la exactitud óptica de la rejilla maestra
original en una superficie de resina transparente. Esta superficie está cubierta con aluminio
o en algunas ocasiones con oro o platino para que refleje la radiación electromagnética.
La rejilla de escalera.Uno de los tipos más comunes de rejillas de reflexión es la
rejilla de escalera. La figura 25.8 muestra una representación esquemática de este tipo
de rejilla, la cual está ranurada o abrillantada de tal manera que posea caras anchas en
las que ocurre la reflexión y caras estrechas que no se utilizan.4 Esta geometría permite
que ocurra una difracción de la radiación altamente eficiente. En la figura 25.8, un rayo
paralelo de radiación monocromática se aproxima a la superficie de la rejilla a un ángulo i
relativo a la normal de la rejilla. El rayo incidente que se muestra consta de tres rayos paralelos que forman un frente de ondas denominado 1, 2, 3. El rayo difractado es reflejado
a un ángulo r, que depende de la longitud de onda de la radiación. En el artículo 25.2, se
muestra que el ángulo de reflexión r está relacionado con la longitud de onda de la radiación incidente por medio de la ecuación:
nl 5 d(sen i 1 sen r)
(25.1)
4
La rejilla de escalera se abrillanta para ser utilizada en órdenes relativamente bajos, pero la rejilla de escalera
se utiliza en órdenes altos (>10). La rejilla de escalera se utiliza comúnmente con un segundo elemento dispersivo, como un prisma, para ajustar los órdenes sobrepuestos y proporcionar dispersión cruzada. Para más
información acerca de las rejillas de escalera y la manera de utilizarlas, véase D. A. Skoog, F. J. Holler y S. R.
Crouch, Principles of Instrumental Analysis, 6a. ed., Sección 10A-3, Belmont, CA: Brooks/Cole, 2007; J. D.
Ingle, Jr. y S. R. Crouch, Spectrochemical Analysis, Sección 3-5, Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1988.
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25A Componentes instrumentales693
La ecuación 25.1 sugiere que hay varios valores de l para un ángulo r de difracción
dado. Por lo tanto, si se encuentra una línea de primer orden (n 5 1) de 900 nm en r,
líneas de segundo orden (450 nm) y de tercer orden (300 nm) también aparecen en este
ángulo. Generalmente, la línea de primer orden es más intensa y es posible diseñar rejillas
que concentren tanto como 90% de la intensidad incidente en este orden. Las líneas de
orden mayor se pueden remover por medio de filtros o utilizando un prisma. Por ejemplo, el vidrio, que absorbe radiación menor que 350 nm, elimina los espectros de orden
grande asociados con la radiación de primer orden en la mayoría de la región visible.
ARTÍCULO 25.2
Origen de la ecuación 25.1
En la figura 25.8, los rayos paralelos de la radiación monocromática denominados 1 y 2
se muestran incidiendo dos de las caras anchas a un ángulo incidente i en relación con la
normal de la rejilla. La máxima interferencia constructiva ocurre en el ángulo reflejado r.
El rayo 2 viaja a mayor distancia que el rayo 1, y esta diferencia es igual a CB 1 BD. Para
que ocurra interferencia constructiva, esta diferencia debe ser igual a nl:
5
nl
nl 5 CB
CB 1
1 BD
BD
donde n, un número entero pequeño, es llamado el orden de difracción. Note, sin embargo, que el ángulo CAB es igual al ángulo i y que el ángulo DAB es idéntico al ángulo r.
Por lo tanto, utilizando trigonometría:
CB
CB 5
5 dd sen
sen ii
donde d es el espacio entre las superficies reflejantes. También se observa que:
BD
BD 5
5 dd sen
sen rr
Al sustituir estas últimas dos expresiones en la primera se obtiene la ecuación 25.1, esto es:
5
nl
nl 5 d(sen
d(sen ii 1
1 sen
sen r)
r)
Note que, cuando la difracción ocurre a la izquierda de la normal de la rejilla, los valores
de n son positivos, y cuando la difracción ocurre a la derecha de la normal de la rejilla, n es
negativo. Por lo tanto, n 5 61, 62, 63, etcétera.
Una ventaja mayor de un monocromador de rejilla es que, en comparación con un
monocromador de prisma, la dispersión a lo largo del plano focal es lineal para fines prácticos. La figura 25.9 demuestra esta propiedad, la cual simplifica en gran medida el diseño
de los monocromadores.
Rejillas cóncavas.Las rejillas se pueden formar en una superficie cóncava casi de
la misma manera que en una superficie plana. Una rejilla cóncava permite el diseño de
monocromadores sin espejos o lentes colimadores y de enfoque, esto debido a que la
superficie cóncava dispersa la radiación y la enfoca en la ranura de salida. Los monocromadores que contienen rejillas cóncavas son económicos y la reducción en el número de
superficies ópticas incrementa su rendimiento energético.
694CAPÍTULO 25
Instrumentos de espectrometría óptica
EJEMPLO 25.1
Una rejilla de escalera que contiene 1450 zonas brillantes por milímetro fue irradiada con un rayo policromático a un ángulo incidente de 48 grados con respecto
a la normal de la rejilla. Calcule las longitudes de onda de la radiación que aparecerían con ángulos de reflexión de 120, 110 y 0 grados (ángulo r, figura 25.8).
Solución
Para obtener d en la ecuación 25.1, se escribe:
d5
nm
1 mm 1 mm 6 nm
nm
nm
5 brillantes 3 10 mm
35
106689.7 5
689.7
1450d zonas
zona
brillante
mm
1450 zonas brillantes
zona brillante
Cuando r en la figura 25.8 es igual a 120 grados, l se puede calcular al sustituir en la ecuación 25.1. Por lo tanto,
l5
689.7 nm689.7 nm
748.4 748.4
(sen 48 1(sen
sen48
20)15sen 20) 5
nm
l
nm
n5
n
n
n
y las longitudes de onda para las reflexiones de primero, segundo y tercer orden son 748,
374 y 249 nm, respectivamente. Cálculos similares, mostrados en la tabla siguiente, revelan que la longitud de onda en el segundo orden es la mitad de la del primer orden, y la
longitud de onda en el tercer orden es un tercio de la de primer orden, y así sucesivamente.
Longitud de onda (nm) para
200
, nm
r, grados
n51
n52
n53
20
748
374
249
10
632
316
211
0
513
256
171
300
400
500
600
700
800
Rejilla
a)
200
, nm
250
300
350 400
500 600 800
Prisma de cuarzo
b)
Figura 25.9Dispersión de la radiación a lo largo del plano focal AB
de una a) rejilla y b) un prisma de
cuarzo típicos. Las posiciones A y B
en la escala c) están mostradas en la
figura 25.6.
A
0
B
20.0
5.0
10.0
15.0
Distancia y a lo largo del plano focal, cm
25.0
c)
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25A Componentes instrumentales695
Rejillas holográficas.5 Uno de los productos que surgió de la tecnología láser es una
técnica óptica (en vez de mecánica) para formar rejillas en superficies de vidrio planas y
cóncavas. Las rejillas holográficas producidas de esta manera aparecen cada vez de manera
más común en los instrumentos ópticos modernos, aun en algunos de los más económicos.
Debido a que las rejillas holográficas no están sujetas a errores mecánicos del aparato formador de ranuras o surcos, presentan una perfección mayor en la forma y las dimensiones de
las líneas y, por lo tanto, producen espectros libres de radiación errante y fantasmas (imágenes dobles). Las rejillas holográficas réplica son indistinguibles de la rejilla maestra.6 El
artículo 25.3 describe el proceso de formación de surcos mecánico y holográfico de rejillas.
ARTÍCULO 25.3
Producción de rejillas grabadas y holográficas
La dispersión de la radiación uv/visible se puede producir dirigiendo un rayo policromático a través de una rejilla de transmisión o hacia la superficie de una rejilla de reflexión. La rejilla
de reflexión es por mucho la más común. Las rejillas réplica,
que se utilizan en muchos monocromadores, se fabrican a partir
de una rejilla maestra. La rejilla maestra consta de un gran número de ranuras o surcos paralelos y muy cercanos entre sí que
están grabados o rayados en una superficie dura que es pulida
con una herramienta adecuada en forma de diamante. Para la
región uv/visible, una rejilla contendrá entre 50 y 6000 surcos
mm21, aunque lo más común es que contenga de 1200 a 2400.
Las rejillas maestras se rayan con una herramienta de diamante
que es operada por una máquina de rayado. La construcción de
una buena rejilla maestra es tediosa, consume mucho tiempo y
es cara, debido a que los surcos deben ser idénticos en tamaño,
exactamente paralelos y tener un espacio igual entre ellos de
entre 3 a 10 cm de longitud a lo largo de la rejilla. Debido a
la dificultad que representa su construcción, se han producido
pocas rejillas maestras.
La era moderna de las rejillas data de 1880 cuando Henry
Rowland construyó una máquina capaz de rayar rejillas de
hasta 6 pulgadas de ancho con más de 100,000 surcos. Un dibujo simplificado de la máquina de Rowland se muestra en la
figura 25A.3. Con esta máquina, un tornillo de alta precisión
mueve el carro formador de rejillas, mientras que un estilete
de diamante corta los pequeños surcos paralelos. ¡Imagine la
dificultad que representa rayar estos 100,000 surcos de manera
manual en una rejilla de 6 pulgadas de ancho! La máquina requería aproximadamente 5 horas para calentarse a una temperatura casi uniforme. Después de esta etapa de calentamiento,
se necesitaban casi 15 horas o un poco más para obtener una
capa uniforme de lubricante en la superficie. Solo después de
Henry A. Rowland (1848-1901) fue un físico norteamericano
y el primer presidente de la Sociedad Americana de Física.
También fue el primer presidente del Departamento de Física
de la Universidad Johns Hopkins. Aunque llevó a cabo investigación en áreas como la electricidad y el magnetismo, es más
conocido por el desarrollo de métodos para producir rejillas de
difracción de alta calidad.
(continúa)
5
Véase J. Flamand, A. Grillo y G. Hayat, Amer. Lab., 1975, 7(5), 47; J. M. Lerner et al., Proc. Photo-Opt. Instrum. Eng., 1980, 240, 72, 82.
6
I. R. Altelmose, J. Chem. Educ., 1986, 63, A216, DOI:10.1021/ed063pA216.
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696CAPÍTULO 25
Instrumentos de espectrometría óptica
Figura 25A.3Diagrama simplificado de la
máquina de rayado de Rowland. Un tornillo de
precisión único mueve el carro de la máquina.
Una punta de diamante viaja sobre la rejilla, que
es rayada sobre la superficie de un espejo cóncavo.
Las máquinas de este tipo fueron los modelos para
muchas máquinas de rayado construidas después
de la época de Rowland. Las máquinas de rayado
están entre los dispositivos mecánicos macroscópicos más sensibles y precisos jamás construidos. Las
rejillas resultantes han desempeñado una función
integral en muchos de los avances de la ciencia
más importantes en el siglo pasado.
este tiempo se bajaba el diamante para comenzar el proceso de
rayado. Las rejillas más grandes requerían aproximadamente
una semana para ser producidas.
Dos mejoras importantes fueron hechas por Strong en la
década de 1930. La más importante fue el depósito al vacío de
aluminio sobre los espacios en blanco de vidrio como medio.
La delgada capa de aluminio daba una superficie más suave y
reducía el desgaste de la herramienta de diamante.
Hoy en día, las máquinas de rayado utilizan control interferométrico (véase artículo 25.7) sobre el proceso de rayado.
Menos de cincuenta máquinas de rayado están en uso alrededor del mundo. Aun si todas estas máquinas fueran operadas
24 horas al día, no podrían cubrir la demanda de rejillas. Afortunadamente, los recubrimientos modernos y la investigación
de resinas ha hecho posible producir rejillas réplica de muy alta
calidad. Las rejillas réplica se forman a partir de la rejilla maestra por el depósito al vacío de aluminio en una rejilla maestra
rayada. La capa de aluminio después es recubierta con un material tipo epoxi. El material se polimeriza posteriormente y
la réplica se separa de la rejilla maestra. Las rejillas réplica que
se producen actualmente son superiores a las rejillas maestra
producidas en el pasado.
Otra forma en que se pueden fabricar rejillas es el resultado
de la tecnología láser. Estas rejillas holográficas se fabrican
recubriendo una placa de vidrio plana con un material que es
fotosensible (fotorresistente). Los rayos de un par de láseres
idénticos se hacen incidir en la superficie de vidrio recubierta.
Las franjas de interferencia resultantes (véase el artículo 25.7)
de los dos rayos sensibilizan la fotorresistencia, produciendo
áreas que se pueden disolver, dejando atrás una estructura con
surcos. El aluminio se deposita al vacío en esta superficie para
producir una rejilla de reflexión. El espacio entre los surcos se
puede cambiar si se cambia el ángulo de los dos rayos láser,
uno con respecto al otro. Se pueden fabricar rejillas casi perfectas con aproximadamente 6000 líneas por mm de esta manera a un costo relativamente bajo. Las rejillas holográficas no
son tan eficientes en cuanto a su producción de luz como las
rejillas grabadas; sin embargo, pueden eliminar líneas falsas,
llamadas fantasmas de rejilla, y reducen la luz dispersada que
resulta de los errores del grabado.
Filtros de radiación
La función de los filtros es bloquear o absorber toda la radiación, a excepción de una
banda restringida. Como se muestra en la figura 25.10, se utilizan dos tipos de filtros
en espectroscopia: los filtros de interferencia y los filtros de absorción. Los filtros de
interferencia se utilizan típicamente para las mediciones de absorción. Estos filtros por
lo general transmiten una fracción de radiación mucho mayor a sus longitudes de onda
nominales que los filtros de absorción.
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25A Componentes instrumentales697
Porcentaje de transmitancia
80
Longitud de
onda nominal = 448 nm
Filtro de
interferencia
60
Longitud de onda
nominal = 500 nm
Ancho de banda
~ 10 nm
40
Filtro de absorción
20
Ancho de
banda
~ 50 nm
400
450
500
Longitud de onda, nm
550
Filtros de interferencia.Los filtros de interferencia se utilizan con las radiaciones
ultravioleta y visible, así como con longitudes de onda tan largas como aproximadamente
14 mm en la región infrarroja. Como su nombre lo implica, un filtro de interferencia se
basa en la interferencia óptica para proporcionar una banda de radiación relativamente
estrecha, típicamente de 5 a 20 nm de ancho. Como se muestra en la figura 25.11a,
un filtro de interferencia consiste en una capa muy delgada de un material dieléctrico
transparente (con frecuencia fluoruro de calcio o fluoruro de magnesio) recubierto por
ambos lados con una película de metal que es lo suficientemente delgada para transmitir
casi la mitad de la radiación que la incide y de reflejar la otra mitad. Este arreglo se coloca
entre dos placas de vidrio para protegerlo de la atmósfera. Cuando la radiación incide el
arreglo central a un ángulo de 90 grados, aproximadamente la mitad es transmitida por
Figura 25.10Anchos de banda
para dos tipos de filtro.
Un material dieléctrico es una
sustancia no conductora o aislante.
Estos materiales son en general
transparentes ópticamente.
Radiación blanca
Placa de vidrio
Película de metal
Capa dieléctrica
Banda estrecha de radiación
a)
1
A
2
3
4
5
t
B
1
2
3
b)
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4
5
Figura 25.11a) Esquema del
corte transversal de un filtro de interferencia. Note que el dibujo no
está a escala y que las tres bandas
centrales son mucho más estrechas
de lo que se muestra. b) Esquema
que muestra las condiciones para la
interferencia constructiva.
698CAPÍTULO 25
Instrumentos de espectrometría óptica
la primera capa metálica y la otra mitad es reflejada. La radiación transmitida experimenta
una partición similar cuando alcanza la segunda capa de metal. Si la porción reflejada de la
segunda capa es de la longitud de onda apropiada, es parcialmente reflejada de la porción
interna de la primera capa en fase con la luz incidente de la misma longitud de onda. El
resultado es interferencia constructiva de la radiación de esta longitud de onda y la remoción destructiva de la mayoría de las otras longitudes de onda. Como se muestra en el
artículo 25.4, la longitud de onda nominal para un filtro de interferencia lmáx está dada
por la ecuación:
lmáx 5
2th
n
.
donde t es el grosor de la capa central de fluoruro,
2th h es su índice de refracción y n es un
l 5capas de vidrio del filtro son seleccionadas
entero llamado el orden de interferencia. Las
n
para absorber todas menos una de las longitudes de onda transmitidas por la capa central
y, por lo tanto, restringen la transmisión del filtro a un solo orden.
ARTÍCULO 25.4
Bases de la ecuación 25.2
La relación entre el grosor de la capa dieléctrica t y la longitud de onda transmitida l
puede encontrarse con ayuda de la figura 25.11b. Para fines de claridad, se muestra el
rayo incidente llegando a un ángulo u de la perpendicular. En el punto 1, la radiación es
parcialmente reflejada y parcialmente transmitida al punto 19 donde la reflexión y la transmisión parciales ocurren de nuevo. El mismo proceso ocurre en 2, 29, y así sucesivamente.
Para que ocurra un reforzamiento en el punto 2, la distancia recorrida por el rayo reflejado
en 19 debe ser un múltiplo de su longitud de onda en el medio l9. Ya que la longitud
de la trayectoria entre las superficies puede expresarse como t/cos u, la condición para
que ocurra el reforzamiento es que nl9 5 2t/cos u, donde n es un número entero pequeño.
En la práctica, u se aproxima a cero y cos u se aproxima a la unidad, de tal manera que
la ecuación derivada de la figura 25.11 se simplifica a:
nl' 5 2t
donde l’ es la longitud de onda de la radiación en el dieléctrico y t es el grosor del dieléctrico. La longitud de onda correspondiente en el aire está dada por:
l 5 l' h
2th
donde h es el índice de refracción dellmedio
máx 5 dieléctrico. Por lo tanto, las longitudes. de
n
onda de la radiación transmitida por el filtro son:
l5
2th
n
La figura 25.10 ilustra las características de desempeño de un filtro de interferencia
típico. La mayoría de los filtros de este tipo tiene anchos de banda menores que 1.5%
de la longitud de onda nominal, aunque esta cifra disminuye a 0.15% en algunos filtros de banda estrecha. Los filtros de banda estrecha tienen un máximo de transmitancia
de aproximadamente 10%.
25A Componentes instrumentales699
Filtros de absorción.Los filtros de absorción, que por lo general son más económicos y más resistentes que los filtros de interferencia, están limitados a usarse en la región
visible. Este tipo de filtro usualmente consiste en una placa de vidrio colorida que absorbe
parte de la radiación incidente y transmite la banda de longitud de onda deseada. Los filtros de absorción tienen anchos de banda efectivos que están en el intervalo de los 30 a los
250 nm. Los filtros que proveen los anchos de banda más estrechos también absorben una
fracción significativa de la radiación deseada y pueden tener una transmitancia de 1% o
menos en los valores máximos de su pico de banda. La figura 25.10 contrasta las características de desempeño de un filtro de absorción típico con su contraparte de interferencia.
Los filtros de vidrio con transmitancia máxima a lo largo de la región visible completa
están disponibles en casas comerciales. Mientras que sus características de desempeño son
inferiores a las de los filtros de interferencia, su costo es mucho menor y pueden ser adecuados para muchas aplicaciones de rutina.
Los filtros tienen como ventajas su simplicidad, resistencia y bajo costo. Sin embargo,
dado que un filtro solo puede aislar una sola banda de longitudes de onda, debe utilizarse
un nuevo filtro para una banda de longitudes de onda diferente. Por lo tanto, los instrumentos con filtros solo se utilizan cuando se hacen mediciones a una longitud de onda fija
o cuando la longitud de onda se cambia con poca frecuencia.
En la región ir del espectro, la mayoría de los instrumentos modernos no dispersan
el espectro en lo absoluto, aunque esta práctica era común en los instrumentos más antiguos. En su lugar, se utiliza un interferómetro, y las interferencias constructiva y destructiva de las ondas electromagnéticas se utiliza para obtener información espectral a través
de una técnica llamada transformada de Fourier. Estos instrumentos ir se discuten más a
profundidad en el artículo 25.7 y en la sección 26C.2.
25A.4‡Detección y medición de energía radiante
Para obtener información espectroscópica, la energía radiante transmitida, manifestada
como fluorescencia o emitida, debe ser detectada de cierta manera y convertida en una
cantidad medible. Un detector es un dispositivo que identifica, registra o indica un cambio en una de las variables en su ambiente como la presión, temperatura o radiación
electromagnética. Algunos ejemplos familiares de detectores influyen la película fotográfica para indicar la presencia de radiación electromagnética o radioactiva, el puntero de
una balanza para indicar diferencias de masa y el nivel de mercurio en un termómetro
para indicar temperatura. El ojo humano también es un detector: convierte la radiación
visible en una señal eléctrica que pasa al cerebro a través de una cadena de neuronas en el
nervio óptico lo que produce la visión.
Invariablemente en los instrumentos modernos, la información de interés es codificada
y procesada como una señal eléctrica. Un transductor convierte las cantidades no eléctricas, como la intensidad de luz, el pH, la masa y la temperatura, en señales eléctricas
que pueden ser amplificadas posteriormente, manipuladas y, por último, convertidas en
números proporcionales a la magnitud de la cantidad original. En esta sección solo se discuten los transductores de radiación.
Propiedades de los transductores de radiación
El transductor ideal para la radiación electromagnética responde rápidamente a bajos
niveles de energía radiante a lo largo de un intervalo amplio de longitudes de onda. Además, produce una señal eléctrica que es fácilmente amplificada y que tiene bajos niveles de
ruido eléctrico (véase artículo 25.5).
Un transductor convierte varios tipos de cantidades químicas y físicas
en señales eléctricas, como la carga
eléctrica, corriente o voltaje.
fuentes de ruido más
❮ Las
comunes incluyen la vibración,
recolección a partir de líneas
de 60 Hz, variaciones de
temperatura y fluctuaciones
de frecuencia o voltaje en el
suministro eléctrico.
700CAPÍTULO 25
Instrumentos de espectrometría óptica
TABLA 25.2
Detectores comunes para espectroscopia de absorción
Tipo
Intervalo de longitudes de onda, nm
Detectores de fotones
Fototubos
150–1000
Tubos fotomultiplicadores
150–1000
Fotodiodos de silicio
350–1100
Celdas fotoconductoras
1000–50,000
Detectores térmicos
Termopares
600–20,000
Bolómetros
600–20,000
Celdas neumáticas
600–40,000
Dispositivos piroeléctricos
1000–20,000
Finalmente, la señal eléctrica producida por un transductor debe estar relacionada linealmente con la energía radiante P del rayo, como se muestra en la ecuación 25.3:
G 5 KP 1 K'
La corriente de oscuridad es
una corriente producida por un
transductor de radiación cuando
ninguna luz está incidiendo en el
dispositivo.
donde G es la respuesta eléctrica del detector en unidades de corriente, voltaje o carga.
La constante de proporcionalidad K mide la sensibilidad del detector en términos de la
respuesta eléctrica por unidad de energía radiante de entrada.
Muchos transductores exhiben una pequeña respuesta constante K‘, conocida como
corriente de oscuridad, aun cuando no incida ninguna radiación en sus superficies.
Los instrumentos con transductores que tienen una respuesta significativa de corriente de
oscuridad están equipados comúnmente con un circuito electrónico o un programa
de computadora para extraer la corriente de oscuridad de forma automática. Por lo tanto,
en circunstancias ordinarias, se puede simplificar la ecuación 25.3 a
G 5 KP
Generalmente, las señales
producidas por los instrumentos analíticos fluctúan de
manera aleatoria debido al
gran número de variables que
no son controladas. Estas fluctuaciones, que limitan la sensibilidad de un instrumento, se
llaman ruido. La terminología
se originó en la ingeniería de
radio donde la presencia de
fluctuaciones indeseables de
señal se puede escuchar como
estática, o ruido.
❯
(25.3)
(25.4)
Tipos de transductores
Como se muestra en la tabla 25.2, hay dos tipos generales de transductores: un tipo responde
a fotones; el otro, a calor. Todos los detectores de fotones están basados en la interacción de
la radiación con una superficie reactiva ya sea para producir electrones (fotoemisión) o para
promover electrones a estados energéticos en los cuales puedan conducir electricidad (fotoconducción). Únicamente la radiación uv, visible e ir cercana poseen energía suficiente
para provocar la fotoemisión; por lo tanto, los detectores de fotoemisión están limitados a
longitudes de onda menores que aproximadamente 2 mm (2000 nm). Los fotoconductores
se pueden utilizar en las regiones ir cercana, media y lejana del espectro.
ARTÍCULO 25.5
Señales, ruido y la relación señal-ruido
La salida de un instrumento analítico fluctúa de manera aleatoria. Estas fluctuaciones limitan la precisión del instrumento y son el resultado neto de un gran número de variables aleatorias no controladas en el instrumento y en el sistema químico en estudio. Un
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25A Componentes instrumentales701
S/R
Absorbancia
1
2
5
10
20
50
100
450
500
550
Longitud de onda, nm
600
Figura 25A.4Espectro de absorción de la hemoglobina con niveles de señal idénticos
pero diferentes cantidades de ruido. Note que las curvas se han desplazado sobre el eje de absorbancia por cuestiones de claridad.
ejemplo de estas variables es la llegada aleatoria de fotones al fotocátodo o a un tubo fotomultiplicador. El término ruido se utiliza para describir estas fluctuaciones, y cada variable
no controlada es una fuente de ruido. El término proviene de la ingeniería electrónica y
de sonido donde las fluctuaciones indeseables aparecen al oído como estática, o ruido. El
valor promedio de la salida de un dispositivo electrónico se llama señal, y la desviación
estándar de la señal es una medida del ruido.
Una cifra importante de mérito para los instrumentos analíticos, estéreos, reproductores de discos compactos y muchos otros tipos de dispositivos electrónicos es la relación
señal-ruido (S/R). La relación señal-ruido se define comúnmente como la relación entre
el valor promedio de la señal de salida con su desviación estándar. El comportamiento
señal-ruido de un espectrofotómetro de absorción se ilustra en el espectro de la hemoglobina mostrado en la figura 25A.4. El espectro en la parte baja de la figura tiene una
S/R 5 100, y se pueden encontrar con facilidad los máximos de absorción a 540 nm y a
580 nm. A medida que la S/R se degrada a aproximadamente dos en el segundo espectro de la figura superior, los picos son apenas visibles. En algún punto entre S/R 5 2 y
S/R 5 1, los picos desaparecen en el ruido y son imposibles de identificar. A medida que
los instrumentos modernos se han vuelto computarizados y son controlados por circuitos electrónicos sofisticados, se han desarrollado varios métodos para aumentar la relación
señal-ruido de las salidas de los instrumentos. Estos métodos incluyen el filtrado análogo,
la amplificación sincrónica, el promediado, suavizado y la transformada de Fourier.7
7
D. A. Skoog, F. J. Holler y S. R. Crouch, Principles of Instrumental Analysis, 6a. ed., cap. 5, Belmont, CA:
Brooks/Cole, 2007.
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702CAPÍTULO 25
Instrumentos de espectrometría óptica
Por lo general, se detecta la radiación ir midiendo el aumento de temperatura de un
material térmicamente sensible localizado en la trayectoria del rayo o midiendo el incremento de conductividad eléctrica de un material fotoconductor cuando absorbe radiación
ir. Debido a que los cambios de temperatura que resultan de la absorción de energía ir
son muy pequeños, la temperatura ambiente debe ser controlada cuidadosamente para
evitar errores grandes. El sistema detector la mayor parte limita la sensibilidad y la precisión de un instrumento ir.
Detectores de fotones
Los tipos de detectores de fotones que se utilizan más ampliamente incluyen los fototubos, los tubos fotomultiplicadores, los fotodiodos de silicio, los arreglos de fotodiodos y
los dispositivos de transferencia de cargas, como los dispositivos de carga acoplada y de
inyección de carga.
Los fotoelectrones son electrones
que son emitidos de una superficie
fotosensitiva por radiación electromagnética. Una fotocorriente es
la corriente en un circuito externo
que está limitada por la velocidad
de emisión de fotoelectrones.
Los tubos fotomultiplicadores están dentro de los transductores más utilizados para
la detección de radiación
ultravioleta/visible.
❯
La mayor ventaja de los
fotomultiplicadores es
la amplificación interna.
Aproximadamente de 106 a
107 electrones se producen en
el ánodo por cada fotón que
incide en el fotocátodo de un
tubo fotomultiplicador (TFM).
❯
Fototubos y tubos fotomultiplicadores.La respuesta de un fototubo o de un
tubo fotomultiplicador es el resultado del efecto fotoeléctrico. Como se muestra en la
figura 25.12, un fototubo consta de un fotocátodo semicilíndrico y de un ánodo de
alambre sellado dentro de una cubierta al vacío de vidrio transparente o de cuarzo. La
superficie cóncava del cátodo sostiene una capa de material fotoemisivo, como un metal
alcalino o un óxido metálico que emite electrones cuando se irradia con luz de una energía
apropiada. Cuando se aplica un voltaje a través de los electrodos, los fotoelectrones emitidos son atraídos hacia el ánodo de alambre con carga positiva. Estos electrones producen
una fotocorriente en el circuito mostrado en la figura 25.12. Esta corriente puede ser
entonces amplificada y medida. El número de fotoelectrones expulsados del fotocátodo
por unidad de tiempo es directamente proporcional a la energía radiante del haz o rayo
que incide en la superficie. Cuando se aplica un voltaje de aproximadamente 90 V o más,
todos estos fotoelectrones son recolectados en el ánodo para producir una fotocorriente
que también es proporcional a la energía radiante del rayo.
El tubo fotomultiplicador (tfm) se construye de manera similar al fototubo, pero es
significativamente más sensible. El fotocátodo es similar al del fototubo, los electrones se
emiten con la exposición a la radiación. Sin embargo, en lugar de un ánodo de alambre
sencillo, el tfm tiene una serie de electrodos llamados dínodos, como se muestra en la
figura 25.13. Los electrones emitidos desde el cátodo se aceleran hacia el primer dínodo
que se mantiene de 90–100 V positivos con respecto al cátodo. Cada fotoelectrón acelerado que golpea la superficie del dínodo produce varios electrones, llamados electrones
secundarios, los cuales son acelerados hacia el dínodo 2, que se mantiene de 90 a 100 V
Haz
de fotones
Cátodo
2
2
Cubierta de vidrio
o cuarzo al vacío
Figura 25.12Fototubo y circuito acompañante. La fotocorriente inducida por la radiación
produce un voltaje (V 5 IR) a
través del resistor de medición; este
voltaje después se amplifica y se
mide.
Electrones
Ánodo
de alambre
I
R
90 V cd
2
Amplificador cd
y
lectura
1
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25A Componentes instrumentales703
Varios electrones
por cada electrón
incidente
Numerosos electrones
por cada fotón
D3
D5
D4
D6 D2
D8
Envoltura
de cuarzo
Dínodos D1 – D9
D1
Parrilla
D7
Radiación, h
D9
Cátodo
fotoemisor
Ánodo, ~107
electrones
por cada fotón
a)
b)
900 V cd
+
–
90 V
D9
Cubierta
de cuarzo
D8
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
Cátodo
Ánodo
Dínodos numerados
mostrados arriba
–
Dispositivo
de lectura
+
Amplificador
c)
Figura 25.13Diagrama de un tubo fotomultiplicador. a) Fotografía; b) corte transversal; y
c) diagrama eléctrico que ilustra la polarización del dínodo y la medición de la fotocorriente. La
radiación que incide en el cátodo fotosensible b) da origen a fotoelectrones por acción del efecto
fotoeléctrico. El dínodo D1 se mantiene en voltaje positivo con respecto al fotocátodo. Los electrones emitidos por el cátodo son atraídos al primer dínodo y acelerados en el campo. Cada electrón
que incide en el dínodo D1, por lo tanto, da origen a dos o cuatro electrones secundarios. Estos
electrones son atraídos al dínodo D2, que de nuevo es positivo con respecto al dínodo D1. La
amplificación resultante en el ánodo puede ser de 106 o mayor. El factor de amplificación exacto
depende del número de dínodos y de las diferencias de voltaje entre cada dínodo. Esta amplificación interna automática es una de las mayores ventajas de los tubos fotomultiplicadores. Con la
instrumentación moderna, la llegada de pulsos de fotocorriente individual puede ser detectada y
contada en lugar de ser medida como corriente promedio. Esta técnica, llamada conteo de fotones,
es ventajosa a muy bajos niveles de luz.
más positivo que el dínodo 1. De nuevo, la amplificación electrónica (ganancia) ocurre.
Para el momento en que este proceso ha sido repetido en cada uno de los dínodos, se
habrán producido de 105 a 107 electrones por cada fotón incidente. Esta cascada de electrones es finalmente recolectada en el ánodo para proveer una corriente promedio que
después es amplificada electrónicamente y medida.
A menos que se indique lo contrario, todo el contenido de esta página es de © Cengage Learning.
la instrumentación
❮ Con
electrónica moderna es
posible detectar los pulsos de
electrones que resultan del
arribo de fotones individuales
en el fotocátodo de un
TFM. Los pulsos se cuentan
y la cuenta acumulada
es una medida de la
intensidad de la radiación
electromagnética que incide
en el TFM. El conteo de
fotones es ventajoso cuando
la intensidad de luz, o la
frecuencia de arribo de los
fotones al fotocátodo, es baja.
704CAPÍTULO 25
Instrumentos de espectrometría óptica
Un semiconductor es una sustancia que tiene una conductividad
que se encuentra entre la de un
metal y entre la de un dieléctrico
(aislante).
Si
Si
Si
Si
As
Si
Si
Si
Si
Electrón
extra
tipo n
Figura 25.14Representación
en dos dimensiones de silicio
tipo n que muestra un átomo
actuando como “impureza”.
Si
Si
Si
Si
Ga
Si
Si
Si
Si
Tipo p
Hueco
(o “agujero”)
Figura 25.15Representación
en dos dimensiones de silicio tipo
p mostrando un átomo que actúa
como “impureza”.
Celdas fotoconductoras.Los transductores fotoconductores constan de una película delgada de un material semiconductor, como el sulfuro de plomo, telururo de cadmio
y mercurio (tcm), o antimoniuro de indio, depositado comúnmente en una superficie de
vidrio no conductora y sellada dentro de una cubierta al vacío. La absorción de radiación
por estos materiales promueve los electrones de valencia no conductores a un nivel energético mayor, lo cual disminuye la resistencia eléctrica del semiconductor. Típicamente,
un fotoconductor se coloca en serie con una fuente de voltaje y un resistor de carga, y la
caída de voltaje a través del resistor de carga sirve como una medida de la energía radiante
del rayo de radiación. Los detectores de PbS y de InSb son bastante populares en la región
ir cercana del espectro. El detector de tcm es útil en las regiones ir media y lejana cuando
se enfría con N2 líquido para minimizar el ruido térmico. Esta aplicación es importante
en los espectrómetros infrarrojos con transformada de Fourier.
Fotodiodos de silicio y arreglos de fotodiodos. El silicio cristalino es un semiconductor, un material cuya conductividad eléctrica es menor que la de un metal, pero
mayor que la de un aislante eléctrico. El silicio es un elemento del grupo IV y, por lo
tanto, tiene cuatro electrones de valencia. En un cristal de silicio, cada uno de esos electrones está combinado con electrones de otros cuatro átomos de silicio para formar cuatro
enlaces covalentes. A temperatura ambiente, ocurre suficiente agitación térmica en esta
estructura para liberar un electrón ocasional de su estado enlazado, dejándolo libre para
moverse a través del cristal. La excitación térmica de un electrón deja atrás una región
cargada positivamente denominada hueco, la cual, como el electrón, también es móvil.
El mecanismo de movimiento del hueco es secuencial, el electrón enlazado de un átomo
de silicio vecino salta a la región deficiente en electrones (el hueco) y entonces crea otro
hueco positivo a su paso. El movimiento de electrones y huecos en direcciones opuestas
en los semiconductores es la fuente de conductividad de estos dispositivos.
La conductividad del silicio se puede aumentar en gran medida al añadir impurezas, en
este proceso una cantidad controlada y muy pequeña (aproximadamente 1 ppm) de un
elemento del grupo V o del grupo III se distribuye de forma homogénea a lo largo del cristal de silicio. Por ejemplo, cuando se le añade un elemento del grupo V, como el arsénico,
cuatro de los cinco electrones de valencia del dopante forman enlaces covalentes con cuatro
átomos de silicio dejando un electrón libre para conducir (véase la figura 25.14). Cuando
el silicio es dopado con un elemento del grupo III, como el galio, que tiene tres electrones
de valencia, se desarrolla un exceso de huecos, aumentando también la conductividad (véase
la figura 25.15). Un semiconductor que contiene electrones no enlazados (cargas negativas)
es llamado semiconductor tipo n, mientras que uno que contiene un exceso de huecos (cargas positivas) es llamado semiconductor tipo p. En un semiconductor tipo n, los electrones
son el acarreador mayoritario; en uno tipo p los huecos son el acarreador mayoritario.
La tecnología de silicio en el presente hace posible la fabricación de un dispositivo
conocido como unión pn o diodo pn, el cual conduce en una dirección pero no en la otra.
La figura 25.16a es un esquema de un diodo de silicio. La unión pn se muestra como
una línea punteada a lo largo de la mitad del cristal. Los alambres eléctricos se conectan
en ambos extremos del dispositivo. La figura 25.16b muestra la unión en su modo de
conducción, donde la terminal positiva de una fuente cd está conectada a la región p y
la terminal negativa está conectada a la región n. Se dice que el diodo tiene polarización
directa en estas condiciones. El exceso de electrones en la región n y los huecos positivos
en la región p se mueven hacia la unión, donde se combinan y se aniquilan entre sí. La
terminal negativa de la fuente inyecta nuevos electrones a la región n, la cual puede seguir
el proceso de conducción. La terminal positiva extrae electrones de la región p y, por lo
tanto, crea nuevos huecos que son libres de migrar hacia la unión pn.
Los fotodiodos son dispositivos semiconductores de unión pn que responden a la luz
incidente formando pares electrón-hueco. Cuando se aplica un voltaje al diodo pn de tal
A menos que se indique lo contrario, todo el contenido de esta página es de © Cengage Learning.
25A Componentes instrumentales705
Unión pn
–
+
+
+ +
+ +
–
Región p
–
–
–
Contacto
metálico
–
– Electrón
Alambre
conductor
Región n
a)
e–
e–
–
+
+ Hueco
–
+
Capa de
transición
i
i
+
+
+
–
+
–
+
+
–
+
–
–
+
–
+
Región p Región n
Polarización inversa
Región p Región n
Polarización directa
b)
–
–
–
c)
manera que el semiconductor tipo p es negativo con respecto al semiconductor tipo n, se
dice que el diodo presenta polarización inversa. La figura 25.16c ilustra el comportamiento de un diodo de silicio en condiciones de polarización inversa. La mayoría de los
acarreadores se aleja de la unión, dejando atrás una capa de transición no conductora.
La conductancia en condiciones de polarización inversa es únicamente 1026 a 1028 de la
conductancia en condiciones de polarización directa. En otras palabras, un diodo de silicio
conduce en una dirección, pero no en la otra, y se dice que es un rectificador de corriente.
Un diodo de silicio en condiciones de polarización inversa puede servir como transductor de la radiación debido a que los fotones ultravioleta y visibles son lo suficientemente
energéticos para crear electrones adicionales y huecos cuando inciden en la capa de transición de una unión pn. El incremento de corriente resultante se puede medir y es directamente proporcional a la energía radiante. Un detector con diodo de silicio es más sensible
que un fototubo simple al vacío, pero menos sensible que un tubo fotomultiplicador.
Detectores basados en arreglos de diodos.Los fotodiodos de silicio se han vuelto
muy importantes en años recientes debido a que se pueden fabricar 1000 o más lado a
lado en un pequeño chip de silicio con un ancho de solo 0.02 mm de los diodos individuales. Con uno o dos de los detectores basados en arreglos de diodos colocados a lo largo
del plano focal de un monocromador, todas las longitudes de onda que pasan se pueden
monitorear de manera simultánea, lo que hace posible la espectroscopia de alta velocidad.
Si el número de cargas inducidas por luz por unidad de tiempo es grande en comparación
con los acarreadores de carga producidos de manera térmica, la corriente en un circuito
externo, en condiciones de polarización inversa, está directamente relacionada con la energía de la radiación incidente. Los detectores basados en fotodiodos de silicio responden
extremadamente rápido, casi siempre en nanosegundos. Los arreglos de diodos también se
pueden obtener de manera comercial con dispositivos de entrada llamados intensificadores de imagen para producir ganancia y permitir la detección de bajos niveles de luz.
Dispositivos de transferencia de carga.El desempeño de los arreglos de fotodiodos no se compara con los tubos fotomultiplicadores en términos de sensibilidad,
intervalo dinámico y relación señal-ruido. Por lo tanto, su uso se ha limitado a situaciones en que la ventaja de sus múltiples canales sobrepasa sus limitaciones. En comparación, las características de desempeño de los detectores basados en el dispositivo de
transferencia de carga (dtc) se aproximan y en algunas ocasiones sobrepasan a los tubos
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Figura 25.16a) Esquema
de un diodo de silicio. b) Flujo de
la electricidad en condiciones
de polarización directa. c) Formación de la capa de transición, la
cual previene el flujo de electricidad en condiciones de polarización
inversa.
En electrónica, la polarización es
un voltaje dc, algunas veces llamado voltaje polarizante, aplicado
a un elemento de un circuito para
establecer un nivel de referencia
para su operación.
fotodiodo de silicio
❮ Un
es un diodo de silicio con
polarización inversa que se
utiliza para medir energía de
radiación.
arreglos de fotodiodos
❮ Los
se utilizan no solamente
en los instrumentos
espectroscópicos, sino
también en los escáneres
ópticos y en los lectores de
códigos de barras.
706CAPÍTULO 25
El sílice es dióxido de silicio,
SiO2, y se utiliza como
aislante eléctrico.
Instrumentos de espectrometría óptica
❯
fotomultiplicadores, además de poseer la ventaja de múltiples canales. Como resultado,
este tipo de detector está apareciendo cada vez en un número mayor de instrumentos
espectroscópicos modernos.8 Una ventaja extra de los detectores basados en transferencia
de carga es que son bidimensionales, ya que los elementos detectores individuales están
acomodados en filas y en columnas. Por ejemplo, el detector que se describe en la siguiente
sección consta de 244 hileras de elementos detectores, cada hilera está compuesta por
388 elementos detectores, lo cual da un arreglo bidimensional de 94,672 detectores individuales, o píxeles, contenidos en un chip de silicio que mide 6.5 mm por 8.7 mm. Con
este dispositivo se hace posible registrar un espectro bidimensional completo.
Los detectores de transferencia de carga operan de manera parecida a la película fotográfica, ya que integran la información proveniente de las señales en el momento en que
incide radiación en ellos. La figura 25.17 es un corte transversal de uno de los píxeles que
forman un arreglo de transferencia de carga. En ese caso, el píxel consta de dos electrodos conductores sobrepuestos en una capa aislante de sílice (SiO2). (Un píxel en algunos
dispositivos de transferencia de carga está hecho de más de dos electrodos.) La capa de
sílice separa los electrodos de una región de silicio dopado n. Este ensamble constituye un
capacitor basado en un semiconductor de óxido metálico que almacena las cargas formadas cuando la radiación incide en el silicio dopado. Cuando, como se muestra, una carga
negativa se aplica a los electrodos, se crea una región de inversión de carga bajo los electrodos, la cual es energéticamente favorable para almacenar huecos positivos. Los huecos
móviles que se crean por la absorción de fotones por parte del silicio después migran y
se acumulan en esta región. Típicamente, esta región, que se denomina pozo de potencial, es capaz de almacenar tanto como 105 a 106 cargas antes de desbordarse a un píxel
adyacente. En la figura 25.17 se muestra que un electrodo es más negativo que el otro,
haciendo que la acumulación de carga bajo este electrodo sea más favorable. La cantidad
de carga generada durante la exposición a la radiación es medida en dos formas. Un detector con dispositivo de inyección de cargas (cid, por sus siglas en inglés), mide el cambio
de voltaje provocado por el movimiento de la carga desde la región bajo un electrodo
hacia la región bajo el otro. En un detector con dispositivo de carga acoplada (ccd, por
sus siglas en inglés), la carga se mueve a un amplificador sensor de carga para su medición.
Los dispositivos de carga acoplada también están disponibles con intensificadores de
imagen frontales para producir ganancia. Los ccd intensificados (iccd, por sus siglas
en inglés) pueden encenderse y apagarse en intervalos seleccionados para proporcionar resolución en el tiempo para estudios de vida media o para experimentos de cinética
química o para discriminar señales indeseables. Un desarrollo reciente en cámaras ccd
es la cámara ccd con multiplicador de electrones (emccd, por sus siglas en inglés), en la
que un registro de ganancia se inserta antes del amplificador de salida. Tanto las iccd y
–5 V
–10 V
h
Electrodos
Figura 25.17Corte transversal
de uno de los píxeles de un dispositivo de transferencia de carga. El
hueco positivo producido por el
fotón hv se colecta bajo el electrodo
negativo.
Aislante
de SiO2
+ + +
Silicio dopado
tipo n
+ –
Sustrato
8
Para detalles sobre los dispositivos de transferencia de carga véase J. V. Sweedler, K. L. Ratzlaff y M. B. Denton,
eds., Charge-Transfer Devices in Spectroscopy, New York: VCH, 1994; J. V. Sweedler, Crit. Rev. Anal. Chem.,
1993, 24, 59, DOI:10.1080/10408349308048819; J. V. Sweedler, R. B. Bilhorn, P. M. Epperson, G. R. Sims y
M. B. Denton, Anal. Chem., 1988, 60, 282A, DOI: 10.1021/ac00155a002; P. M. Epperson, J. V. Sweedler, R.
B. Bilhorn, G. R. Sims y M. B. Denton, Anal. Chem., 1988, 60, 327A, DOI: 10.1021/ac00156a001.
A menos que se indique lo contrario, todo el contenido de esta página es de © Cengage Learning.
25A Componentes instrumentales707
las emccd son capaces de detectar un solo fotón. Debido al intensificador de imagen, las
iccd son más caras que las emccd. Sin embargo, la emccd debe enfriarse a bajas temperaturas (≈170 K), lo que lleva a un gasto adicional y a problemas de condensación.
Los ccd y las cid están apareciendo cada vez con mayor frecuencia en los instrumentos
espectroscópicos modernos. En las aplicaciones espectroscópicas, los dispositivos de transferencia de carga se utilizan en conjunción con los instrumentos multicanal discutidos en
la sección 25B.3. Además de las aplicaciones espectroscópicas, los dispositivos de transferencia de carga se utilizan ampliamente en las cámaras digitales, en las cámaras de televisión de estado sólido, en microscopía y en aplicaciones astronómicas, como el telescopio
espacial Hubble.
Detectores térmicos
Los detectores de fotones convenientes discutidos en la sección anterior no pueden ser
utilizados para medir radiación infrarroja debido a que los fotones en esta región carecen de energía suficiente para provocar la fotoemisión de electrones. Históricamente, los
detectores térmicos, como los termopares, los bolómetros y los dispositivos neumáticos,
fueron utilizados para detectar todas las longitudes de onda ir, a excepción de las más cortas. Estos detectores todavía se pueden encontrar en los espectrómetros ir dispersivos más
viejos. Las características de la mayoría de los detectores térmicos son muy inferiores a las
de los detectores de fotones utilizados en la región uv/visible. La mayoría de los espectrómetros ir de transformada de Fourier utiliza un transductor piroeléctrico o el detector
fotoconductivo mct discutido anteriormente.
Un detector térmico consta de una pequeña superficie ennegrecida que absorbe radiación infrarroja y como resultado aumenta de temperatura. El aumento de temperatura
se convierte en una señal eléctrica que es amplificada y medida. En el mejor de los casos,
los cambios de temperatura involucrados son minúsculos y ascienden a unas cuantas
milésimas de grado Celsius. La dificultad en la medición se incrementa por acción de la
radiación térmica del ambiente, la cual siempre es una fuente potencial de incertidumbre.
Para minimizar los efectos de esta radiación de fondo, o ruido, los detectores térmicos se
empacan al vacío en una cubierta que los protege del medio ambiente. Para minimizar
aún más los efectos de este ruido externo, se provoca que el rayo de la fuente alterne entre
la intensidad máxima y la intensidad cero haciendo que el rayo pase a través de un disco
giratorio llamado hélice, el cual se inserta entre la fuente y el detector.9 El transductor
convierte esta señal periódica de radiación en una corriente eléctrica alternativa que puede
ser amplificada y separada de la señal cd resultante de la radiación de fondo. A pesar de
estas medidas, las mediciones infrarrojas son significativamente menos precisas que las
mediciones de radiación ultravioleta y visible.
Como se muestra en la tabla 25.2, se utilizan cuatro tipos de transductores térmicos
para la espectroscopia infrarroja.10 El más utilizado es un termopar pequeño o un grupo
de termopares llamado termopila. El bolómetro consiste en un elemento conductor cuya
resistencia eléctrica cambia en función de la temperatura. Un detector neumático consta
de una pequeña cámara cilíndrica que está llena de xenón y que contiene una membrana
ennegrecida para absorber radiación infrarroja y calentar el gas. Los detectores piroeléctricos se fabrican de cristales de un material piroeléctrico, como el titanato de bario o el
sulfato de triglicina deuterada. Un cristal de cualquiera de estos dos compuestos se coloca
entre un par de electrodos para producir un voltaje dependiente de temperatura cuando
están expuestos a radiación infrarroja. Los transductores piroeléctricos son utilizados en
9
Véase D. A. Skoog, F. J. Holler y S. R. Crouch, Principles of Instrumental Analysis, 6a. ed., Belmont, CA: Brooks/Cole, 2007, pp. 115–116.
10
Ibid., pp. 200–202.
708CAPÍTULO 25
Instrumentos de espectrometría óptica
los espectrómetros ir, particularmente en los instrumentos que llevan a cabo la transformada de Fourier descritos en la sección 25C.2.
25A.5 Procesadores de señales y dispositivos de lectura de salida
Un procesador de señales es un dispositivo electrónico que puede amplificar la señal eléctrica
que proviene de un detector (véase el artículo 25.6). Además, el procesador de señal puede
convertir la señal de cd a ca (o a la inversa), cambiar la fase de la señal y filtrarla para remover
componentes indeseados. El procesador de señal puede llevar a cabo operaciones matemáticas
en la señal tales como la diferenciación, la integración o la conversión a logaritmos. En los
instrumentos modernos se pueden encontrar varios tipos de dispositivos de lectura de salida.
Los medidores digitales y los monitores de computadora son dos ejemplos. Las computadoras
son utilizadas generalmente para controlar varios parámetros instrumentales, para procesar y
almacenar datos, para imprimir resultados y espectros, para comparar resultados con varias
bases de datos y para establecer comunicación con otras computadoras y dispositivos de red.
ARTÍCULO 25.6
Medición de fotocorrientes con amplificadores operacionales
La corriente producida por un fotodiodo de silicio con polarización inversa es típicamente
de 0.1 a 100 mA. Estas corrientes, así como las generadas por los fotomultiplicadores y los
fototubos, son tan pequeñas que deben ser convertidas a un voltaje que sea lo suficientemente
grande para ser medido con un voltímetro digital o con algún otro dispositivo medidor de voltaje. Se puede llevar a cabo esta conversión con ayuda del circuito de amplificador operacional
(amp op) mostrado en la figura 25A.5. La luz que incide en el fotodiodo con polarización
inversa genera una corriente I en el circuito. Debido a que el amplificador operacional tiene
una resistencia de entrada muy grande, básicamente ninguna corriente entra a este y se marca
con un signo negativo. Por lo tanto, la corriente en el fotodiodo debe pasar a través del resistor
R. La corriente es convenientemente calculada a partir de la ley de Ohm: Esalida5 2IR. Dado
que la corriente es proporcional a la energía radiante de la luz (P) que incide en el fotodiodo,
I 5 kP, donde k es una constante y, por lo tanto, Esalida 5 2IR 5 2kPR 5 k’P. Un voltímetro se conecta a la salida del amplificador operacional para producir una lectura directa que
es proporcional a la energía radiante de la luz que incide en el fotodiodo. El mismo circuito
puede ser utilizado para fotodiodos empacados al vacío o para tubos fotomultiplicadores.11
I
R
–
–10 V
h
Esalida = k P
+
Amplificador
operacional
Fotodiodo
Figura 25A.5Amplificador operacional convertidor de corriente a voltaje utilizado para
monitorear la corriente en un fotodiodo de estado sólido.
25A.6 Contenedores de muestras
Los contenedores de muestras, que generalmente se llaman celdas o cubetas, deben tener
ventanas transparentes en la región espectral de interés. En la figura 25.2 se muestran
varios intervalos de transmitancia para materiales ópticos. Como se puede ver, se requiere
11
Para información adicional sobre los amplificadores operacionales, véase D. A. Skoog, F. J. Holler y S. R.
Crouch, Principles of Instrumental Analysis, 6a. ed., Cap. 3, Belmont, CA: Brooks/Cole, 2007.
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25A Componentes instrumentales709
de cuarzo o sílice fundida para la región uv (longitudes de onda menores que 350 nm) y
se puede utilizar en la región visible hasta aproximadamente 3000 nm (3 mm) dentro de
la región ir. El vidrio de silicato se utiliza por lo general para la región de 375-2000 nm
debido a su bajo costo en comparación con el cuarzo. Las celdas de plástico también se
utilizan en la región visible. El material para ventanas más común para los estudios en el
ir es el cloruro de sodio cristalino, que es soluble en agua y en algunos otros disolventes.
Las mejores celdas tienen ventanas que son perpendiculares a la dirección del rayo a
fin de minimizar las pérdidas por reflexión. La longitud de trayectoria más común en
las celdas para llevar a cabo estudios en las regiones uv y visible es de 1 cm; varias marcas comerciales ofrecen celdas acopladas y calibradas. Celdas con longitudes de trayectoria más grandes y más cortas también se pueden adquirir. Algunas celdas típicas para la
región uv/visible se muestran en la figura 25.18.
Por razones económicas, las celdas cilíndricas se utilizan en algunas ocasiones. Se debe
tener particular cuidado al duplicar la posición de dichas celdas con respecto al rayo. De
otra manera, ocurren variaciones en la longitud de trayectoria y pérdidas por reflexión en las
superficies curveadas, lo que puede provocar errores significativos, como se discutió en la
sección 24C.3.
La calidad de los datos espectroscópicos depende de manera crítica de la manera en que
se utilizan y mantienen las celdas. Las huellas digitales, la grasa y otros depósitos en las paredes pueden alterar de manera significativa las características de transmisión de una celda.
Por lo tanto, es imperativo limpiar profundamente las celdas tanto antes como después de
usarlas, y se debe evitar tocar las ventanas después de que se terminó la limpieza. Las celdas
acopladas nunca se deben secar por calor en un horno o sobre una flama porque esto puede
provocar daños físicos o puede alterar la longitud de trayectoria. Las celdas acopladas deben
calibrarse una contra la otra de manera regular con una disolución absorbente.
Cilíndrica
Común por arriba,
con tapa
Común,
con tapón
Semimicro
con tapón
Semimicro
de flujo
Micro alta
Micro,
altura mínima
De muestreo
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Desmontable
de flujo
Figura 25.18Ejemplos típicos
de celdas disponibles de manera comercial para la región uv/visible.
710CAPÍTULO 25
Instrumentos de espectrometría óptica
FOTÓMETROS Y ESPECTROFOTÓMETROS
25B PARA LA REGIÓN ULTRAVIOLETA/VISIBLE
Los componentes ópticos descritos en la figura 25.1 se han combinado de varias maneras
para producir dos tipos de instrumentos para las mediciones de absorción. Varios términos
comunes se utilizan para describir estos instrumentos completos. Un espectrómetro es un
instrumento espectroscópico que utiliza un monocromador o policromador en conjunto
con un transductor para convertir las intensidades radiantes en señales eléctricas. Los espectrofotómetros son espectrómetros que permiten la medición de la relación entre la energía
radiante de dos rayos, un requerimiento para medir la absorbancia (recuerde el capítulo
24, ecuación 24.6, en la página 659, que A 5 log P0/P < log Pdisolvente/Pdisolución). Los fotómetros utilizan un filtro para seleccionar la longitud de onda en conjunto con un transductor de radiación apropiado. Los espectrofotómetros ofrecen la ventaja considerable de
que pueden variar continuamente la longitud de onda empleada, haciendo posible registrar
espectros de absorción. Los fotómetros tienen como ventajas su simplicidad, resistencia y
bajo costo. Varias docenas de modelos de espectrofotómetros están disponibles de manera
comercial. La mayoría de los espectrofotómetros cubre la región uv/visible y en ocasiones la
región del infrarrojo cercano, mientras que los fotómetros son más utilizados para la región
visible. Los fotómetros tienen un uso bastante considerable como detectores para cromatografía, electroforesis, inmunoensayos o análisis de flujo continuo. Tanto los fotómetros
como los espectrofotómetros se pueden obtener en las variedades de un solo haz o doble.
25B.1 Instrumentos de un solo haz
Los ajustes a 0% T y a 100% T
se deben hacer antes de cada
medición de transmitancia
o absorbancia. Para obtener
mediciones de transmitancia
reproducibles, la energía de radiación de la fuente debe permanecer constante durante el
tiempo en que se hace el ajuste
a 100% T y el % T se despliega
en la pantalla de resultados.
❯
La figura 25.19 muestra el diseño de un espectrofotómetro sencillo y económico, el Spectronic 20, que está diseñado para la región visible del espectro. Este instrumento apareció
en el mercado por primera vez a mediados de la década de 1950, y la versión modificada
que se muestra en la figura todavía se fabrica y se vende. Estos instrumentos son los más
utilizados a lo largo del mundo, más que cualquier otro modelo de espectrofotómetro de
un solo haz.
El Spectronic 20 puede leer la transmitancia o la absorbancia y desplegarla en una pantalla de cristal líquido (lcd, por sus siglas en inglés); los instrumentos análogos más antiguos
proporcionaban las lecturas de transmitancia en un medidor. El instrumento está equipado
con un oclusor, que consiste en una veleta que se interpone de manera automática entre el
haz o rayo y el detector cada vez que la celda cilíndrica se remueve de su soporte. El dispositivo de control de luz consiste en una apertura en forma de “V” que se mueve dentro y fuera
del haz para controlar la cantidad de luz que alcanza la apertura de salida.
Para obtener una lectura del porcentaje de transmitancia, el indicador digital de lectura
de salida se coloca en cero con el compartimento de la muestra vacío de tal manera que
el oclusor bloquea el haz, lo que impide que llegue radiación al detector. Este proceso
se llama calibración o ajuste a 0% T. Una celda que contiene el blanco (comúnmente
el disolvente) se inserta entonces en el contenedor de la celda, y el puntero se lleva a la
marca de 100% T ajustando la posición de la apertura de control de la luz y, por lo tanto,
la cantidad de luz que llega al detector. Este ajuste se denomina calibración o ajuste a
100% T. Por último, la muestra se coloca en el compartimento de la celda, y el porcentaje
de transmitancia o absorbancia se lee directamente en la pantalla de cristal líquido (lcd).
El intervalo espectral del Spectronic 20 es de 400 a 900 nm. Otras especificaciones
incluyen un paso de banda espectral de 20 nm, una exactitud de longitud de onda de
62.5 nm y una exactitud fotométrica de 64% T. Una opción permite que el instrumento se conecte en interfaz a una computadora para el almacenamiento y análisis de
25B Fotómetros y espectrofotómetros para la región ultravioleta/visible711
Lector digital
Selector de
longitudes de onda
Compartimento
para la celda
Ajuste
a 100% T
Ajuste
a 0% T
a)
Lente de campo
Apertura de entrada
Detector de
estado sólido
Lente objetivo
Rejilla
Lámpara de tungsteno
Oclusor
Muestra
Filtro
Apertura
de salida
Control de luz
Leva de
longitud de onda
b)
Figrua 25.19Espectrofotómetro Spectronic 20. Una fotografía se muestra en a), mientras que
el diagrama óptico se puede observar en b). La radiación proveniente de una lámpara de tungsteno
pasa a través de una apertura de entrada hacia el monocromador. Una rejilla de reflexión difracta la
radiación y la banda de la longitud de onda seleccionada pasa a través de la apertura de salida hacia
la cámara de la muestra. Un detector de estado sólido convierte la intensidad de luz en una señal
eléctrica relacionada que es amplificada y mostrada en un lector digital. El nuevo Spectronic 200
tiene una trayectoria óptica inversa. (Cortesía de Thermo Fisher Scientific, Inc. Madison, WI.)
datos. Una versión más moderna, el Spectronic 200, tiene un paso de banda 6 4 nm y
puede escanear espectros.
Los instrumentos de un solo haz del tipo recién descrito son muy apropiados para
mediciones de absorción cuantitativa a una sola longitud de onda. Con estos instrumentos, la simplicidad de instrumentación, el bajo costo y la facilidad de mantenimiento ofrecen distintas ventajas. Varios fabricantes de instrumentos ofrecen espectrofotómetros de
un solo haz en el intervalo desde los mil a varios miles de dólares. Además, los instrumentos multicanal de un solo haz basados en arreglos de detectores están ampliamente disponibles, como se discute en la sección 25B.3.
25B.2 Instrumentos de doble haz
Muchos fotómetros y espectrofotómetros modernos están basados en un diseño de doble
haz. La figura 25.20 muestra dos diseños de doble haz (b y c) comparados con un sistema
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712CAPÍTULO 25
Instrumentos de espectrometría óptica
Fuente
Obturador
Celda de
referencia
h
Filtro o
monocromador
Fotodetector
P0
Presentación visual
de resultados
Amplificador
0
50 100
Celda de
muestra
a)
Obturador
Fuente
h
Filtro o
monocromador
Celda de
referencia
Divisor
de rayos
Fotodetector
1
P0
Presentación visual
de resultados
Fotodetector Amplificador
diferencial
2
0
50 100
Figura 25.20Diseños instrumentaP
les para fotómetros y espectrofotómeEspejo
tros que trabajan en la región uv/visible.
En a) se muestra un instrumento de un
Celda de
muestra
solo haz. La radiación del filtro al monocromador pasa a través de la celda de b)
referencia o de la celda de muestra antes
de incidir en el fotodetector. En b) se
100
incidir en un instrumento de doble haz
en el espacio. En este instrumento, la
Cuña
Detector
óptica
radiación del filtro o del monocromaCelda de 50
nulo
referencia
dor se divide en dos rayos que pasan
0
P0
0
Amplificador
de modo simultáneo a través de las
celdas de referencia y de muestra antes
Espejo
Fotodetector
de incidir en los dos fotodetectores
Celda de de rejilla
Fuente
h
Filtro o
muestra
iguales. En el instrumento de doble
P
monocromador
haz en el tiempo c), el haz se envía de
Espejo
manera alternada a través de las celdas
Espejo
de referencia y de muestra antes de
sectorial
Motor
envía un fotodetector individual. Un
Vista
frontal
Transparente
periodo de únicamente unos cuantos
milisegundos separa los haces a medida
Espejo
que pasan a través de las dos celdas.
c)
de un solo haz o rayo (a). La figura 25.20b ilustra un instrumento de doble haz en el
espacio en el cual se forman dos haces en un espejo en forma de “V” llamado divisor
de rayos. Un rayo pasa a través de la disolución de referencia hacia un fotodetector, y el
segundo pasa simultáneamente a través de la muestra a un segundo fotodetector igualado.
Las dos señales de salida se amplifican y su relación, o el logaritmo de su relación, se
obtiene electrónicamente o se calcula y se despliega en el dispositivo de salida.
La figura 25.20c ilustra el espectrofotómetro de doble haz en el tiempo. En este diseño,
los haces se separan en el tiempo por un espejo de sectores rotatorios que dirige el haz completo a través de la celda de referencia y posteriormente a través de la celda de muestra. Los
pulsos de radiación se recombinan por acción de otro espejo que transmite el haz de referencia y refleja el haz de muestra al detector. El método de doble haz en el tiempo se prefiere
sobre el de doble haz en el espacio debido a la dificultad de igualar los dos detectores.
Los instrumentos de doble haz ofrecen la ventaja de que compensan para todas las fluctuaciones en la radiación de salida de la fuente, a excepción de las más rápidas. También
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25C Espectrofotómetros infrarrojos713
compensan para variaciones amplias en la intensidad de la fuente con la longitud de onda.
Más aún, el diseño de doble haz es útil para el registro continuo de espectros de absorción.
25B.3 Instrumentos multicanal
Los arreglos de fotodiodos y los dispositivos de transferencia de carga, discutidos en
la sección 25A.4, son la base de los instrumentos multicanal para absorción de radiación uv/visible. Estos instrumentos suelen tener el diseño de un solo haz ilustrado en la
figura 25.21. Con los sistemas multicanal, el sistema dispersivo es un espectrógrafo de
rejilla colocado después de la celda de muestra o de la celda de referencia. El arreglo de fotodiodos o arreglo ccd se coloca en el plano focal del espectrógrafo. Estos detectores permiten
la medición de un espectro entero en menos de 1 s. Se requiere una computadora para
obtener los espectros. Con los diseños de un solo haz, la corriente de oscuridad del arreglo
se adquiere y se almacena en la memoria de la computadora; posteriormente, el espectro de
la fuente se obtiene y se almacena en la memoria después de extraer la corriente de oscuridad. Por último, el espectro de baja calidad de la muestra se obtiene y, después de sustraer
la corriente de oscuridad, los valores de la muestra se dividen entre los valores de la fuente a
cada longitud de onda para producir el espectro de absorción. Los instrumentos multicanal
también pueden configurarse como los espectrofotómetros de doble haz en el tiempo.
El espectrofotómetro mostrado en la figura 25.21 puede ser controlado por la mayoría
de las computadoras personales. El instrumento (sin la computadora) puede adquirirse
por 10,000 dólares. Varias compañías de instrumentos combinan los sistemas de arreglos
de detectores con sondas de fibra óptica para transportar la luz hacia la muestra y desde
ella. Estos instrumentos permiten mediciones en locaciones convenientes que están lejos
del espectrómetro.
25C ESPECTROFOTÓMETROS INFRARROJOS
Se utilizan dos tipos de espectrómetros en la espectroscopia infrarroja: los de tipo dispersivo y los de transformada de Fourier.
25C.1 Instrumentos infrarrojos dispersivos
Los instrumentos ir más antiguos tenían casi siempre el diseño de doble haz dispersivo. Estos instrumentos eran de la variedad de doble haz en el tiempo mostrada en
la figura 25.20c, a excepción de que la localización del compartimento de la celda con
respecto al monocromador estaba invertida. En la mayoría de los instrumentos uv/visible
la celda se localiza entre el monocromador y el detector a fin de evitar la fotodescomposición de la muestra, lo que puede ocurrir cuando las muestras están expuestas a la potencia
de la fuente. Note que los instrumentos con arreglos de fotodiodos evitan este problema
debido al tiempo de exposición tan corto de la muestra al haz. La radiación infrarroja, en
Figura 25.21Diagrama de un
espectrómetro multicanal basado
en el espectrógrafo de rejilla con un
arreglo de fotodiodo como detector.
Obturador/filtro
de luz errante
Cubeta
Lente de la fuente
Lámpara
de tungsteno
Lámpara
de deuterio
Apertura
Rejilla
Lente de la fuente
Arreglo
de fotodiodos
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714CAPÍTULO 25
Instrumentos de espectrometría óptica
Science Photo Library/Photo Researchers, Inc.
contraste, no es lo suficientemente energética para provocar la fotodescomposición. También, la mayoría de las muestras es buena emisora de radiación ir. Debido a estos factores,
el compartimento de la celda está localizado generalmente entre la fuente y el monocromador en un instrumento ir.
Como se discutió antes en esta sección, los componentes de los instrumentos ir difieren significativamente de los instrumentos para el uv/visible. Por lo tanto, las fuentes ir
son sólidos calentados, y los detectores ur responden a calor, en lugar de responder a los
fotones. Más aún, los componentes ópticos de los instrumentos ir están construidos de
sales pulidas, como el cloruro de sodio o el bromuro de potasio.
25C.2 Instrumentos de transformada de Fourier
Albert Abraham Michelson (18521931) fue uno de los más talentosos e inventivos investigadores de
todos los tiempos. Se graduó de
la Academia Naval de los Estados
Unidos y con el tiempo se volvió
profesor de física en la Universidad
de Chicago. Estudió las propiedades de la luz y llevó a cabo varios
experimentos que sentaron las
bases de la visión moderna del
Universo. Inventó el interferómetro descrito en el artículo 25.7,
para determinar los efectos del
movimiento de la Tierra con la
velocidad de la luz. Por sus múltiples inventos y su aplicación en el
estudio de la luz, Michelson ganó
el Premio Nobel de Física en 1907.
Al momento de su muerte, Michelson y sus colaboradores estaban
tratando de medir la velocidad de
la luz en un tubo al vacío de una
milla de longitud que estaba en
Irvine, California.
Los espectrómetros con transformada de Fourier detectan
todas las longitudes de onda
IR en todo momento. Tienen
una potencia recolectora de
luz más grande que los instrumentos dispersivos y, por consecuencia, tienen una mejor
precisión. Aunque los cálculos
de la transformada de Fourier
son computacionalmente intensos, se pueden llevar a cabo
con facilidad con computadoras personales de alta velocidad y el software apropiado.
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Cuando los espectrómetros infrarrojos de la transformada de Fourier (ftir, por sus siglas
en inglés) aparecieron por primera vez en el mercado a principios de la década de 1970,
eran estorbosos, caros (más de 100,000 dólares) y requerían ajustes mecánicos frecuentes.
Por estas razones, su uso estaba limitado a aplicaciones especiales en las que sus características únicas (alta velocidad, alta resolución, alta sensibilidad y excelente precisión y exactitud en la longitud de onda) eran esenciales. Desde la década de 1990, los espectrómetros
ftir han reducido su tamaño y pueden colocarse sobre las mesas de trabajo, además se
han vuelto muy confiables y fáciles de mantener. Más aún, los modelos sencillos cuestan
ahora lo mismo que los espectrómetros dispersivos. Por lo tanto, los espectrómetros ftir
han reemplazado los instrumentos dispersivos en la mayoría de los laboratorios.
Los instrumentos ir de la transformada de Fourier no tienen elemento dispersante y
todas las longitudes de onda se detectan y se miden de manera simultánea. En lugar de un
monocromador, se utiliza un interferómetro para producir patrones de interferencia que
contienen la información espectral infrarroja. Los mismos tipos de fuente que se utilizan
en los instrumentos dispersivos se utilizan en los espectrómetros ftir. Los transductores
son generalmente sulfato de triglicina, un transductor piroeléctrico o telururo de cadmio
y mercurio, un transductor fotoconductivo. A fin de obtener energía radiante en función
de la longitud de onda, el interferómetro modula la señal de la fuente de tal manera que
puede ser decodificada por la técnica matemática de la transformada de Fourier. Esta operación requiere una computadora de alta velocidad para hacer los cálculos necesarios. La
teoría de las mediciones de transformada de Fourier se discute en el artículo 25.7.12
La mayoría de los espectrómetros ftir utilizada en las mesas de trabajo es del tipo de
haz sencillo. A fin de colectar el espectro de una muestra, el espectro de fondo se obtiene
primero aplicando la transformada de Fourier al interferograma de fondo (disolvente,
agua ambiental y dióxido de carbono). Después, se adquiere el espectro de la muestra.
Finalmente, se calcula la relación del espectro de un solo haz de la muestra contra la del
espectro de fondo y se grafica la absorbancia o transmitancia contra la longitud de onda
o el número de onda. Comúnmente los instrumentos que se utilizan purgan el espectrómetro con un gas inerte, o secan aire libre de CO2 para reducir la absorción de fondo
proveniente del vapor de agua y del CO2.
Las mayores ventajas de los instrumentos ftir sobre los espectrómetros dispersivos
incluyen una mayor velocidad y mejor sensibilidad, mayor potencia de concentración de
luz, calibración más exacta de la longitud de onda, diseño mecánico simple y la eliminación virtual de cualquier contribución de la luz errante y la emisión ir. Debido a estas
ventajas, casi todos los instrumentos ir nuevos son sistemas ftir.
12
Véase también, J. D. Ingle, Jr. y S. R. Crouch, Spectrochemical Analysis, Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall,
1988; D. A. Skoog, F. J. Holler y S. R. Crouch, Principles of Instrumental Analysis, 6a. ed., Belmont, CA: Brooks/Cole, 2007.
25C Espectrofotómetros infrarrojos715
ARTÍCULO 25.7
¿Cómo funciona un espectrómetro infrarrojo de transformada de Fourier?
Los espectrómetros infrarrojos de transformada de Fourier
(ftir, por sus siglas en inglés) utilizan un ingenioso dispositivo
conocido como interferómetro de Michelson, el cual fue desarrollado hace muchos años por A. A. Michelson para hacer
mediciones precisas de las longitudes de onda de la radiación
electromagnética y para hacer mediciones de distancia increíblemente exactas. Los principios de interferometría se utilizan
en muchas áreas de la ciencia incluidas la química, la física, la
astronomía y la metrología, y son aplicables en muchas regiones del espectro electromagnético.
El diagrama de un interferómetro de Michelson se muestra
en la figura 25A.6. Consiste en una fuente de luz colimada,
mostrada a la izquierda del diagrama, un espejo estacionario
en la parte superior, un espejo movible a la derecha, un divisor de rayos y un detector. La fuente de luz puede ser una
fuente continua como en la espectroscopia ftir, o puede ser
una fuente monocromática como un láser o una lámpara de
arco de sodio para otros usos, como por ejemplo la medición
de distancias. Los espejos son de vidrio ultraplano pulido con
precisión con una cubierta reflectiva depositada como vapor
en sus superficies frontales. El espejo móvil por lo general está
montado en un soporte lineal muy preciso que permite que se
mueva en la dirección del haz de luz mientras permanece perpendicular a él, como se muestra en el diagrama.
La clave para la operación del interferómetro es el divisor de
rayos, que por lo general es un espejo parcialmente plateado similar a los espejos de “dos vías” que se observan en los comercios o en los cuartos de interrogación de la policía. El divisor
de rayos permite que una fracción de la luz que cae en él pase
a través del espejo, y otra fracción sea reflejada. El dispositivo
trabaja en ambas direcciones, por lo que la luz que cae en cualquiera de los dos lados del divisor de rayos es parcialmente
reflejada y parcialmente transmitida.
Por simplicidad, se utilizará la línea azul de un láser de
ion argón como fuente de luz. El rayo A de la fuente incide
en el divisor de rayos, que está inclinado a 45º con respecto
al rayo de entrada. El divisor de rayo está recubierto en el
lado derecho, por lo que el rayo A entra en el vidrio y es
parcialmente reflejado de la parte trasera de la cubierta. Sale
del divisor de rayo como rayo A' y se mueve hacia el espejo
Espejo
estacionario
A
A
B
A
B
Fuente
Divisor de rayos
A
B
Espejo
móvil
Muestra
Detector
Figura 25A.6Diagrama de un interferómetro de Michelson. Un rayo desde la fuente de luz a la izquierda es dividido en dos rayos por el divisor de rayos. Los dos rayos viajan por trayectorias distintas y convergen en el detector.
Los dos rayos A' y B convergen en la misma región del espacio y forman un patrón de interferencia. A medida que
el espejo móvil a la derecha se mueve, el patrón de interferencia se desplaza a través del detector y modula la señal
óptica. El interferograma de referencia resultante se registra y se utiliza como una medida de la energía del rayo incidente a todas las longitudes de onda. Una muestra absorbente se inserta en el rayo y se registra el interferograma de
la muestra. Los dos interferogramas se utilizan entonces para calcular el espectro de absorción de la muestra.
(continúa)
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716CAPÍTULO 25
Instrumentos de espectrometría óptica
estacionario donde es reflejado de regreso hacia el divisor de
de rayos o haces. Una parte del rayo es transmitida después a
través del divisor de rayos hacia el detector. Aunque el rayo
pierde algo de intensidad con cada interacción del espejo estacionario y del divisor de rayos, el efecto neto es que una
fracción (rayo A' ) del rayo A incidente termina en el detector.
En esta primera interacción con el divisor de rayos, la
fracción del rayo A que es transmitida emerge a la derecha
hacia el espejo móvil como rayo B. Después es reflejada de
regreso a la izquierda hacia el divisor de rayos donde es reflejada hacia el detector. Con un alineamiento cuidadoso, tanto
el rayo A' y el rayo B (mostrados de manera separada en el
diagrama para aumentar la claridad), son colineales e inciden
en el detector en el mismo punto.
El propósito general de la óptica del interferómetro es dividir el rayo incidente en dos rayos que se mueven a través
del espacio a lo largo de trayectorias separadas y después se
recombinan en el detector. Es en esta región donde los dos rayos, o frentes de onda, interactúan para formar un patrón de
interferencia. El origen del patrón de interferencia se ilustra
en la figura 25A.7, la cual es una representación bidimensional de la interacción de los dos frentes de onda esféricos. El
rayo A' y el rayo B convergen e interactúan como dos fuentes puntuales de luz representadas en la porción superior de
la figura. Cuando los dos rayos interfieren, forman un patrón
similar al que se muestra. En las regiones donde las ondas interfieren de manera constructiva aparecen bandas brillantes, y
donde ocurre interferencia destructiva aparecen bandas oscuras. Las bandas claras y oscuras alternadas se llaman franjas
de interferencia. Estas franjas aparecen en el detector como
la imagen de salida mostrada en la parte baja de la figura. En
las versiones más tempranas del interferómetro de Michelson,
Rayo A
Rayo B
Interferencia entre el rayo A y el rayo B
Imagen de salida
Figura 25A.7Representación
Representación bidimensional de la interferencia de dos frentes de onda monocromáticos de la misma frecuencia. El
rayo A' y el rayo B en la parte de arriba forman el patrón de interferencia en el medio e interfieren los dos frentes de onda constructivo
y destructivo. La imagen mostrada en la parte baja aparecería en la salida de un interferómetro de Michelson perpendicular al plano
del patrón de interferencia bidimensional.
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718CAPÍTULO 25
Instrumentos de espectrometría óptica
14
Intensidad
de la figura 25A.8f. El espectro revela únicamente dos frecuencias en v y 4v, y las magnitudes relativas de los dos picos
afilados de frecuencia son proporcionales a las amplitudes de
las dos ondas sinusoidales que componen la señal original. Las
dos frecuencias corresponden a las dos longitudes de onda en
la fuente de luz del interferómetro, y la trf ha revelado las intensidades de la fuente a esas dos longitudes de onda.
Para ilustrar cómo se utiliza el interferómetro de Michelson en experimentos prácticos, se coloca una fuente de luz
infrarroja continua (véase la figura 25A.9a) que contiene un
gran número de longitudes de onda en la entrada del interferómetro. A medida que el espejo se mueve a lo largo de su trayectoria, todas las longitudes de onda se modulan de manera
simultánea, produciendo el interferograma tan interesante
mostrado en la figura 25A.9b. Este interferograma contiene
toda la información que se requiere en un experimento espectroscópico con respecto a la intensidad de la fuente de luz a
todas las longitudes de onda que la componen.
Como se sugirió en la sección previa, hay ciertas ventajas
en adquirir información de intensidad de esta manera en vez
de utilizar un espectrómetro de barrido. 14 Primero, está la
a)
Longitud de onda
Amplitud
de manera sinusoidal en el detector cuando se mueve el espejo
a velocidad constante. Ahora, se debe investigar lo que sucede
cuando la señal es registrada. Aunque las características de los
interferómetros Michelson se conocen bien desde hace más de
un siglo y los aparatos matemáticos para tratar con los datos han
sido utilizados por más de dos siglos, el dispositivo no se utilizó
de manera rutinaria en espectroscopia hasta que ocurrieron dos
desarrollos. Primero, tuvieron que estar disponibles las computadoras económicas de alta velocidad. Segundo, los métodos
computacionales apropiados tenían que ser inventados a fin
de manejar el inmenso número de cálculos más bien rutinarios
que se deben aplicar a los datos brutos que se adquieren en los
experimentos interferométricos. De manera breve, los principios de la síntesis y el análisis de Fourier pueden indicarnos que
cualquier forma de onda puede ser representada como una serie
de ondas de formas sinusoidales y, de manera correspondiente,
una combinación de ondas con forma sinusoidal se puede descomponer en una serie de sinusoides de frecuencia conocida. Se
puede aplicar esta idea a la señal sinusoidal detectada en la salida
del interferómetro de Michelson mostrado en la figura 25A.8b.
Si se somete la señal en la figura a un análisis de Fourier
a través de un algoritmo computacional llamado transformada
rápida de Fourier (trf ), se obtiene el espectro de frecuencia
ilustrado en la figura 25A.8c. Note que la forma de onda original en la figura 25A.8b es una señal dependiente del tiempo;
la salida resultante del trf es una señal dependiente de frecuencia. En otras palabras, el trf toma señales de amplitud en el
dominio de tiempo y las convierte en energía en el dominio
de frecuencia. Dado que la salida del interferómetro es una
onda sinusoidal de una sola frecuencia, el espectro de frecuencia muestra un solo pico de frecuencia v, la frecuencia de la
onda sinusoidal original. Esta frecuencia es proporcional a
la frecuencia óptica emitida por la fuente láser, pero de valor
mucho más bajo de tal manera que puede ser medida y manipulada electrónicamente. Ahora se modifica el interferómetro de
tal manera que se puede obtener una segunda onda sinusoidal
en la salida. Una manera de hacer esto es simplemente añadiendo una segunda longitud de onda a nuestra fuente de luz.
De forma experimental, un segundo láser u otra fuente de
luz monocromática a la entrada del interferómetro puede producir un rayo que contenga justo dos longitudes de onda.
Por ejemplo, se puede suponer que la segunda longitud de
onda es un cuarto de la primera de tal manera que la segunda
frecuencia es igual a 4v. Se puede suponer también que su intensidad es de la mitad de la intensidad de la fuente original.
Como resultado, la señal que aparece en la salida del interferómetro exhibe un patrón de cierta manera más complejo que en
el ejemplo donde se emplea una sola longitud de onda, como se
muestra en la figura 25A.8d. La gráfica de la señal del detector
es la suma de las dos ondas sinusoidales, como se muestra en
la figura 25A.8e. Se aplica con posterioridad la trf a la señal
del complejo sinusoidal para producir el espectro de frecuencia
b)
Tiempo
Figura 25A.9a) Espectro de una fuente de luz continua.
b) Interferograma de la fuente de luz en a) producido en la salida del interferómetro de Michelson.
Véase J. D. Ingle, Jr. y S. R. Crouch, Spectrochemical Analysis, Englewood Cliffs, NJ: Prentice-Hall, 1988, pp. 425-426.
A menos que se indique lo contrario, todo el contenido de esta página es de © Cengage Learning.
Preguntas y problemas719
ventaja de velocidad. El espejo se puede mover en cuestión de
segundos, y una computadora acoplada al detector puede recolectar todos los datos necesarios durante el curso del barrido
por parte del espejo. En solo unos cuantos segundos más, la
computadora puede llevar a cabo la trf y producir el espectro
de frecuencia que contiene toda la información sobre la intensidad. Posteriormente se encuentra la ventaja de Fellgett, la
cual sugiere que los interferómetros de Michelson son capaces
de producir relaciones señal-ruido mucho más grandes y en
menos tiempo que los espectrómetros dispersivos equivalentes.
Finalmente, se tiene el rendimiento, o ventaja de Jacquinot,
que permite que pase de 10 a 200 veces más radiación a través
de la muestra en comparación con los espectrómetros dispersivos estándar. Estas ventajas se compensan de modo parcial
por la baja sensibilidad de los detectores que se utilizan en los
espectrómetros ftir. En estas circunstancias, la velocidad del
proceso de medición y la simplicidad y confiabilidad de los
espectrómetros ftir se vuelven las consideraciones primarias.
En el capítulo 26 se amplía la información al respecto.
Hasta este punto en la discusión sobre el espectrómetro
ftir, se ha mostrado que el interferómetro de Michelson puede
proporcionar información de intensidad para una fuente de
TAREA
EN
LÍNEA
luz en función de la longitud de onda. Para obtener el espectro
ir de una muestra, se debe obtener primero el interferograma
de referencia de la fuente sin muestra en la trayectoria de la luz,
como se muestra en la figura 25A.6. Posteriormente, la muestra se coloca en la trayectoria como se indica con la flecha y la
caja punteada en la figura y, de nuevo, se escanea el espejo y
se adquiere un segundo interferograma. En la espectrometría
ftir, la muestra absorbe radiación infrarroja, la cual atenúa
los rayos en el interferómetro. La diferencia entre el segundo
interferograma (muestra) y el interferograma de referencia se
calcula después. Dado que el interferograma de diferencia depende únicamente de la absorción de radiación por la muestra,
la trf se lleva a cabo en los datos resultantes, lo que produce
el espectro ir de la muestra. Se discute un ejemplo específico
de este proceso en el capítulo 26. Finalmente, se debe notar
que el trf se puede conseguir utilizando la computadora personal más básica equipada con el software adecuado. Muchos
paquetes de software, como Mathcad, Mathematica, Matlab,
e incluso el Paquete de Análisis de Datos de Microsoft® Excel,
tienen funciones de análisis de Fourier incluidas. Estas herramientas son muy utilizadas en la ciencia y en la ingeniería para
un amplio intervalo de tareas de procesamiento de señales.15
Utilice un buscador para encontrar compañías que fabriquen monocromadores. Navegue por
los diferentes sitios web de estas compañías y encuentre un monocromador uv/visible con un
diseño de Czerny-Turner que tenga una resolución mejor a 0.1 nm. Haga una lista de otras
especificaciones importantes de los monocromadores y describa qué significan y cómo afectan la
calidad de las mediciones espectroscópicas analíticas. A partir de las especificaciones y, si están disponibles, de los precios, determine los factores que tienen el efecto más significativo en el costo de
los monocromadores.
PREGUNTAS Y PROBLEMAS
25.1 Describa las diferencias entre los siguientes pares de términos y enliste las ventajas particulares que posee uno
sobre el otro:
*a) Fotodiodos de estado sólido y fototubos como
detectores para radiación electromagnética.
b) Fototubos y tubos fotomultiplicadores.
*c) Filtros y monocromadores como selectores de longitudes de onda.
d) Espectrofotómetros convencionales y de arreglos de
diodos.
25.2 Defina el término ancho de banda efectivo de un
monocromador.
*25.3 ¿Por qué requieren diferentes anchos de rendija del
monocromador los análisis cuantitativos y los análisis
cualitativos?
15
25.4 ¿Por qué no son aptos los tubos fotomultiplicadores
para la detección de radiación infrarroja?
*25.5 ¿Por qué se introduce yodo en algunas ocasiones a las
lámparas de tungsteno?
25.6 Describa las diferencias entre los siguientes pares de términos y haga una lista de las ventajas particulares que
posee uno sobre el otro:
*a) Espectrofotómetros y fotómetros.
b) Espectrógrafos y policromadores.
*c) Monocromadores y policromadores.
d) Instrumentos de haz sencillo y de doble haz para
mediciones de absorbancia.
25.7 La ley de desplazamiento de Wien indica que la longitud de onda máxima en micrómetros para la radiación
de cuerpo negro es:
Véase también D. A. Skoog, F. J. Holler y S. R. Crouch, Principles of Instrumental Analysis, 6a. ed., Belmont,
CA: Brooks/Cole, 2007, pp. 98-103.
720CAPÍTULO 25
Instrumentos de espectrometría óptica
lmáxT 5 2.90 3 103
donde T es la temperatura en kelvins. Calcule la longitud de onda máxima para un cuerpo negro que ha
sido calentado a: *a) 4000 K, b) 3000 K, *c) 2000 K y
d) 1000 K.
25.8 La ley de Stefan indica que la energía total emitida por
un cuerpo negro por unidad de tiempo y por unidad de
área es:
Et 5 aT 4
donde a es 5.69 3 1028 W/m2K4. Calcule la energía
total de salida en W/m2 para los cuerpos negros descritos en el problema 25.7.
*25.9 Las relaciones descritas en los problemas 25.7 y 25.8
pueden ayudar a resolver lo siguiente:
a) Calcule la longitud de onda máxima de emisión
de un foco con filamento de tungsteno operado a
2870 K y a 3000 K.
b) Calcule la energía total de salida del foco en W/
cm2.
25.10 ¿Cuál es el requerimiento mínimo que se necesita para
obtener resultados reproducibles en un espectrofotómetro de un solo haz?
*25.11 ¿Cuál es el propósito de a) el ajuste a 0% T y b) el
ajuste a 100% T de un espectrofotómetro?
25.12 ¿Qué variables experimentales deben ser controladas
para asegurar datos reproducibles de absorbancia?
*25.13 ¿Cuáles son las mayores ventajas de los instrumentos
ir de transformada de Fourier sobre los instrumentos ir dispersivos?
25.14 Un fotómetro con una respuesta lineal a radiación
arrojó una lectura de 625 mV con un blanco en la trayectoria de luz y 149 mV cuando el blanco fue reemplazado por una disolución absorbente. Calcule:
*a) El porcentaje de transmitancia y absorbancia de la
disolución absorbente.
b) El porcentaje de transmitancia esperado si la concentración del absorbente es un medio de la disolución original.
*c) El porcentaje de transmitancia que se espera si la
trayectoria de la luz a través de la disolución original se duplica.
25.15 Un fotómetro portátil con una respuesta lineal a la
radiación registró una fotocorriente de 75.9 mA con
una disolución del blanco en la trayectoria de la luz. Al
reemplazar el blanco con una disolución absorbente se
produjo una respuesta de 23.5 mA. Calcule:
a) El porcentaje de transmitancia de la disolución de
la muestra.
*b) La absorbancia de la disolución muestra.
c) La transmitancia que se espera para una disolución
en que la concentración del absorbente es un tercio
de la disolución de la muestra original.
*d) La transmitancia que se espera para una disolución
que tiene el doble de concentración de la disolución de la muestra.
25.16 ¿Por qué una lámpara de deuterio produce un continuo, en lugar de un espectro lineal en el ultravioleta?
*25.17 ¿Cuáles son las diferencias entre un detector de fotones
y un detector térmico?
25.18 Describa la diferencia en el diseño básico entre un
espectrómetro para mediciones de absorción y uno
para estudios de emisión.
*25.19 Describa cómo difieren un fotómetro de absorción y
un fotómetro de fluorescencia uno del otro.
25.20 ¿Qué datos se necesitan para describir las características
de desempeño de un filtro de interferencia?
25.21 Defina:
*a) transductor.
b) corriente de oscuridad.
*c) semiconductor tipo n.
d) portador mayoritario.
*e) capa de transición.
f ) radiación dispersa (en un monocromador).
25.22 Un filtro de interferencia se va a construir para aislar la
banda de absorción del CS2 a 4.54 mm.
a) Si la determinación se basara en interferencias de
primer orden, ¿cuán gruesa debe ser la capa dieléctrica (índice de refracción 1.34)?
b) ¿Qué otras longitudes de onda serán transmitidas?
25.23 Los siguientes datos se tomaron de un espectrofotómetro de arreglo de diodos en un experimento para medir
el espectro del complejo Co(II)-edta. La columna
marcada como Pdisolución es la señal relativa obtenida
con una disolución de muestra en la celda después
de restar la señal de oscuridad. La columna marcada
como Pdisolvente es la señal de referencia obtenida únicamente con el disolvente en la celda después de restar la
señal de oscuridad. Encuentre la transmitancia a cada
longitud de onda y la absorbancia a cada longitud de
onda. Grafique el espectro del compuesto.
Longitud de onda, nm
350
375
400
425
450
475
500
525
550
575
600
625
650
675
700
725
750
775
800
Pdisolvente
Pdisolución
0.002689
0.006326
0.016975
0.035517
0.062425
0.095374
0.140567
0.188984
0.263103
0.318361
0.394600
0.477018
0.564295
0.655066
0.739180
0.813694
0.885979
0.945083
1.000000
0.002560
0.005995
0.015143
0.031648
0.024978
0.019073
0.023275
0.037448
0.088537
0.200872
0.278072
0.363525
0.468281
0.611062
0.704126
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0.921446
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Preguntas y problemas721
25.24 Desafío: Horlick describió los principios matemáticos de la transformada de Fourier, los interpretó gráficamente y describió cómo pueden ser utilizados en la
espectroscopia analítica.16 Lea el artículo y conteste las
siguientes preguntas.
a) Defina dominio de tiempo y dominio de frecuencia.
b) Escriba las ecuaciones para la integral de Fourier y
su transformada y defina cada uno de los términos
en las ecuaciones.
c) El artículo muestra las señales de dominio de
tiempo para una onda coseno de 32 ciclos, una onda
coseno de 21 ciclos y una onda coseno de 10 ciclos,
así como para las transformadas de Fourier de
estas señales. ¿Cómo cambia la forma de la señal
del dominio de frecuencia a medida que cambia el
número de ciclos en la forma de onda original?
d) El autor describe el fenómeno de amortiguación.
¿Qué efecto tiene la amortiguación en las ondas
coseno originales? ¿Qué efecto tiene en las transformadas de Fourier resultantes?
a)
c)
b)
d)
16
e) ¿Qué es una función de resolución?
f ) ¿Qué es el proceso de convolución?
g) Discuta cómo es que la elección de la función
de resolución puede afectar la apariencia de un
espectro.
h) La convolución puede ser utilizada para disminuir
la cantidad de ruido en un espectro ruidoso. Considere las siguientes gráficas de señales dominiotiempo y dominio-frecuencia. Nombre los ejes en
las cinco gráficas. Por ejemplo, b) debería estar
nombrado como amplitud versus tiempo. Caracterice cada gráfica como señal de dominio-tiempo o
de dominio-frecuencia.
i) Describa las relaciones matemáticas entre las gráficas. Por ejemplo, ¿cómo podría llegar a a) desde d)
y e)?
j) Discuta la importancia práctica de ser capaz de
reducir el ruido en las señales espectroscópicas.
G. Horlick, Anal. Chem., 1971, 43(8), 61A-66A, DOI: 10.1021/ac60303a029.
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