Instrumentación en espectrofotometria UVvisible. Principio de los

Instrumentación en espectrofotometria UV­visible.
● Principio de los aparatos: fuentes, monocromadores, recipientes para muestras, celdas fotoeléctricas, amplificadores.
● Espectrofotómetros de haz simple y doble haz.
● Precisión en espectrofotometría. Métodos diferenciales de expansión de la escala.
El científico que requiere de las medidas de absorción en la regiones ultravioleta y visible disponen de cien o más modelos sencillos y baratos (unos cientos de dólares); otros son equipos complejos cuyo precio asciende y supera los 30,000 dólares. Estos últimos se han desarrollado para realizar tareas difíciles, que requieren mucho tiempo, o imposibles de realizar con los equipos mas sencillos.
Componentes de los instrumentos. Los instrumentos están compuestos por algunos o todos los siguientes componentes: (1) fuentes, (2) selectores de longitud de onda, (3) recipientes para la muestra, (4) detectores de radiación y (5) procesadores de señal y dispositivos de lectura.
1. Fuentes. Cuando se trata de medidas de absorción molecular es necesario disponer de una fuente continua cuya potencia no cambie bruscamente en un intervalo considerable de longitudes de onda. En este caso las fuentes láser no son utilizadas en instrumentos comerciales ya que son costosas.
Lámparas de deuterio e hidrógeno. La excitación eléctrica del deuterio o hidrógeno a baja presión (aproximadamente 0.2 a 0.5torr) produce un espectro continuo en la región ultravioleta. El mecanismo por el cual se produce el espectro continuo requiere la formación inicial de una especie molecular excitada seguida de la disociación de la molécula excitada para dar dos especies atómicas más un fotón ultravioleta. Las reacciones para el deuterio son
D2 + Ee → D2* → D' + D'' + hν
donde Ee es la energía eléctrica absorbida por la molécula y D2* es la molécula de deuterio excitada. La energía del proceso global puede representarse mediante la ecuación Ee = ED2* = ED' + ED'' + hν
Aquí, ED2* es la energía cuantizada fija de D2* mientras ED' y ED'' son las energías cinéticas de los dos átomos de deuterio. La suma de las dos últimas puede variar continuamente desde cero hasta ED2*. Por ello, la energía y la frecuencia del fotón también puede variar continuamente. Es decir, cuando las energías cinéticas son pequeñas hν será grande, y viceversa. La consecuencia es un verdadero espectro continuo desde aproximadamente 160nm hasta el comienzo de la región visible.
Las lámparas más modernas de este tipo contienen deuterio y son de bajo voltaje, en ellas se forma un arco entre un filamento caliente recubierto de óxido y un electrodo metálico. El filamento caliente suministra electrones para mantener una corriente continua cuando se aplica un potencial de aprox. 40V CD; para intensidades contantes es necesario una fuente de alimentación estabilizada.
Una característica importante de las lámparas de deuterio es que produce una esfera de radiación intensa algo mas grande que la del hidrógeno entre los dos electrodos, lo cual intensifica el brillo de tres a cinco veces, esto justifica el extenso uso de las lámparas de deuterio. Ambas lámparas producen un espectro continuo útil para la región comprendida entre 160 y 360nm. A longitudes de onda más largas (>380nm), las lámparas producen líneas de emisión que se superponen sobre el espectro continuo. Estas líneas pueden ser un problema para algunas aplicaciones (mediciones en el visible) pero resultan útiles para calibrar los instrumentos.
Lámparas de filamento de wolframio o de filamento incandescente. La fuente más común de radiación visible y del infrarrojo (350 a 2,500 nm) es la lámpara de filamento de wolframio. La distribución de energía de esta fuente se aproxima a la del cuerpo negro y, por ello, depende de la temperatura. En esas lámparas se calienta un filamento del alambre hasta la incandescencia por medio de corriente eléctrica. El filamento se encuentra en un bulbo de vidrio herméticamente sellado al vacío o con gas inerte. Los filamentos generalmente se enrollan para aumentar su emisividad, eficacia y luminancia media. Las lámparas incandescentes son unidades robustas, de bajo costo y lo suficientemente brillantes para casi todos los trabajos de absorción en las regiones visible y del ultravioleta cercano.
Las lámparas de wolframio y halógeno representan una clase especial de lámparas incandescentes que contienen todo añadido a los gases normales de relleno. En la envolvente se utiliza el cuarzo para tolerar las altas temperaturas de operación de la lámpara (2850 K). El yodo se combina químicamente en las paredes del bulbo con el wolframio sublimado desde el filamento. El diyoduro de wolframio (WI2) resultante regresa al filamento caliente, en donde se descompone redepositando wolframio elemental. El ciclo es continuamente repetido manteniendo limpio el bulbo. Estas lámparas conservan más del 90% de su luz inicial a lo largo de su vida útil. La lámpara de wolframio emite mucha de su energía en el infrarrojo cercano, con un máximo en 1000nm, y cae rápidamente en la región ultravioleta a 1/100 de ese valor a 300nm. Sólo 15% de la energía radiante cae en la región visible. A menudo se inserta un filtro endotérmico o un espejo dicroico frío entre la lámpara y el portamuestra para eliminar la radiación infrarroja sin disminuir notablemente la energía radiante de menor longitud de onda. las lámparas incandescentes son fuentes muy importantes para aplicaciones espectrométricas debido a su excelente estabilidad, más que debido a su radiancia espectral.
Lamparas de arco de xenón. Estas lámparas producen una radiación intensa como consecuencia del paso de corriente a través de una atmósfera de xenón. El espectro es continuo en un intervalo comprendido entre aproximadamente 200 y 1000nm, con el máximo de intensidad a aproximadamente 500nm. En algunos instrumentos, la lámpara funciona de forma intermitente mediante descargas regulares que proceden de un condensador; se obtienen altas intensidades.
2.
Selectores de longitud de onda. Para la mayoría de análisis espectroscópicos, se necesita una radiación constituida por un grupo limitado, estrecho y continuo de longitudes de onda denominado banda. Un ancho de banda estrecho aumenta la sensibilidad de las medidas de absorbancia y con frecuencia es un requisito para obtener una relación lineal entre la señal óptica y la concentración. Idealmente, la señal de salida de un selector de longitud de onda correspondería a una radiación de una única longitud o frecuencia. No existe selector alguno que se aproxime al caso ideal; en su lugar, lo que se obtiene es una banda. En este caso, se representa el tanto por ciento de radiación incidente de una determinada longitud de onda que es transmitida por el selector en función de la longitud de onda. El ancho de la banda efectiva es una medida inversa de la calidad del dispositivo, siendo la resolución mejor cuanto más estrecha es el ancho de banda. Existen dos clases de selectores de longitud de onda, los filtros y los monocromadores.
Filtros. Se emplean dos tipos de filtros para la selección de la longitud de onda: los filtros de interferencia (llamados en ocasiones filtros de Fabry­Perot) y filtros de absorción. Estos últimos se limitan a la región visible del espectro; mientras que los filtros de interferencia operan en la región ultravioleta, visible y buena parte del infrarrojo.
Filtros de interferencia. Como su nombre lo indica se fundamentan en las interferencias ópticas para producir bandas estrechas de radiación . Consta de un dieléctrico transparente (con frecuencia fluoruro de calcio o de magnesio) que ocupa el espacio entre dos películas metálicas semitransparentes. (con frecuencia plata). Esta disposición se coloca entre dos placas de vidrio u otro material transparente . El espesor de la capa dieléctrica se controla cuidadosamente para tener solamente una, dos o tres medias ondas (se denominan como filtros de primero, segundo y tercer orden) y determinan la longitud de onda de la radiación transmitida. Cuando un haz de radiación colimada incide en esta disposición, una fracción atraviesa la primera capa metálica, mientras que el resto se refleja. La parte que ha pasado sufre una partición similar cuando incide en la segunda película metálica. Si la parte reflejada de esta segunda interacción es de la longitud de onda adecuada, se refleja parcialmente desde la cara interna de la primera capa en fase con la luz incidente de la misma longitud de onda. El resultado es que se refuerza esta determinada longitud, mientras que la mayoría de las demás longitudes, que no están en fase, sufren una interferencia destructiva. La expresión para las longitudes de onda centrales en las que ocurrirá el refuerzo total es:
=
2nb
m
donde m es el número de orden, n es el índice de refracción (también puede expresarse como η) y b es es el espesor de la capa (también puede encontrarse como t). Para este tipo de filtros, el ancho de banda es de 10­15 nm, o sea el ancho total a la mitad del máximo y la transmisión máxima
A medida que se incrementa el orden del filtro, el paso de banda y la anchura de ésta se acortan. La longitud de onda del centro de la banda, o sea la longitud de onda nominal, varía con la temperatura del filtro y con el ángulo de incidencia de la radiación por filtrar. La transmisión de la banda se desplaza a mayores longitudes de onda, cuando se aumenta la temperatura en la mayoría de los filtros. Al aumentar el ángulo de incidencia, la longitud de onda del centro de la banda se desplaza hacia longitudes de onda más cortas.
Nota. Se denomina luz colimada a la luz cuyos rayos son paralelos entre sí, lo que se puede lograr de diferentes formas, siendo la más sencilla hacerla incidir en un espejo cóncavo desde una fuente situada en el foco.
Filtros de cuña. Este filtro consta de un par de placas parcialmente transparentes, especulares, separadas por una capa de un material dieléctrico en forma de cuña. La longitud de la placas es de 50 a 200 nm aproximadamente. La radiación transmitida varía en longitud de onda continuamente de un extremo a otro a medida que lo hace el espesor de la cuña. Si se escoge la posición lineal adecuada a lo largo de la cuña, se puede aislar un ancho de banda de unos 20 nm.
Se disponen de cuñas de interferencia para la región del visible (400 a 700 nm), para la región del infrarrojo cercano (1000 a 2000 nm) y para varias zonas de la región del infrarrojo (2500 a 14500 nm)
Filtros de absorción. Estos filtros que en general son más baratos que los filtros de interferencia, se han utilizado mucho para la selección de bandas en la región visible. Estos filtros funcionan absorbiendo ciertas zonas del espectro. El tipo más habitual es un vidrio coloreado o una suspensión de un colorante en gelatina que de coloca entre dos placas de vidrio. El primero tiene mayor estabilidad térmica. Los filtros de absorción tienen anchuras de banda efectivas que oscilan entre 30 y 250 nm. Los filtros que proporcionan las anchuras de banda más estrechas también absorben una fracción significativa de la radiación deseada y pueden tener una transmitancia de 10% o menos en sus picos de banda. En el comercio existen filtros de vidrio con máximos de transmitancia en toda la región del visible. Los filtros de vidrio son ampliamente utilizados en los equipos automáticos de análisis químico y en colorimetría. Los filtros de corte y los de corte agudo son ampliamente utilizados como filtros de bloqueo para suprimir algunas órdenes espectrales indeseables, que resultan de los filtros de interferencia o de las redes de difracción. Unos filtros de corte agudo permiten el paso de longitudes de onda grandes, o sea las series roja y amarilla. Otros filtros son para longitudes de onda para permitir el paso de longitudes de onda pequeñas, o sea, permiten el paso de las series azul y verde. Los filtros de absorción de vidrio combinados se construyen con dos filtros de corte agudo. La separación espectral entre el 50% de los puntos de corte y corte agudo en la curva de transmitancia contra longitud de onda, varía de 20 a70nm. No obstante que estos filtros no alcanzan el paso de banda tan estrecho y alta transmisión típica de los filtros de interferencia tienen la ventaja de ser relativamente insensibles al ángulo de entrada.
Fuente: D. A. Skoog, F. J. Holler, S. R. Crouch, Principios de análisis instrumental, 6ta edición, Cengage Learning, México, 2008.