1. Tema V
Espectrofotometria: tipus i utilitats

2. Continguts
· Components bàsics d’un espectrofotòmetre
• Control de la longitud d’ona
• Cubetes per a mostres
• Detectors de radiació
· Espectrofotòmetres de doble feix
· Instruments colorimètrics simples

3. Objectius
• Seleccionar els equips en funció de la tècnica i
paràmetre a determinar
• Descriure les parts d’un espectrofotòmetre, la
finalitat de cada part, els principis físics i la
terminologia utilitzada
• Descriure el funcionament i les diferències entre
un espectrofotòmetre d’un feix i un altre de
doble feix
• Descriure el funcionament dels colorímetres
simples

4. Els cinc components bàsics d’un
espectrofotòmetre
1. Font d’energia radiant
2. Control de la longitud d’ona
3. Cubeta per a la mostra
4. Detector
5. Sistema d’amplificació i lectura
(analògic, digital o gràfic)

6. 1. Fonts d’energia radiant (I)
• Formades per substàncies que s’exciten
per escalfament elèctric fins un estat
d’elevada energia, o bé per descàrregues
d’alt voltatge
• Una vegada aconseguit l’augment de
temperatura, tornen a estats energètics
menors o als estats inicials, emeten
aleshores fotons de determinada energia

7. 1. Fonts d’energia radiant (II)
• Classes:
• Fonts de radiació UV (ultraviolada)
• Fonts de radiació visible
• Fonts de radiació IR (infraroja)

8. Fonts de radiació UV
• Làmpades d’hidrogen, deuteri o xenó
• Composició: 2 elèctrodes dins d’un tub de vidre
amb una finestra de quars per on surten les
radiacions. Els gasos estan a baixa pressió.
• Funcionament: quan apliquem un alt voltatge →
descàrrega elèctrica → excita els electrons dels
àtoms del gas (salten a òrbites atòmiques de
major nivell energètic) → quan tornin al seu
estat fonamental aleshores emetran radiació
contínua en la regió dels UV (180-350 nm)

9. Fonts de radiació visible
• Làmpades de tungstè (wolframi)
• Funcionament: emeten radiació blanca al
escalfarse el filament de tungstè (és
travessat per un corrent elèctric continu) o
bé en el cas de les de wolframi es
comporten com un cos negre.

10. Fonts de radiació IR
Tipus:
• Filament de Nernst (elèctrode buit d’òxid
de circoni o d’itri amb els extrems tancats
per un tub de ceràmica). S’escalfen a
1500ºC per el corrent elèctric. Emeten
radiacions de 400 a 20000 nm.
• Làmpada de Glowar (elèctrode de carbur
de silici). S’escalfa a 1200ºC. Emeten
radiació contínua entre 1000 i 40000 nm.

11. 2.Control de la longitud d’ona
• Utilitzem:
• filtres (bandes estretes de λ)
• monocromadors (molt selectius, sensibles,
discriminen fraccions de nanòmetre,
redueixen la radiació policromàtica obtinguen
radiacions de banda molt estreta----banda A).

13. Filtres(II)
• Quan més petit sigui l’ABE (ample de banda
efectiu) millor serà el filtre.
• Tipus: filtres d’absorció, filtres d’interferència,..
• Filtres d’absorció: absorbeixen selectivament les λ
no desitjades.
• De gelatina: làmina de gelatina impregnada dels colors
adequats i col·locada entre dues làmines de vidre
• De líquids: solucions que absorbeixen determinades λ
• De vidre entintat: làmina de vidre acolorida d’un pigment
dissolt .

14. Filtres (III)
-Filtres d’interferència: basats en el fenomen de la
interferència
Interferència additiva
o constructiva
Interferència subtractiva
o destructiva

15. Filtres d’interferència
Només transmeten l’espectre desitjat
Composició:
- dues làmines semitransparents de plata
- recobertes de vidre
- i separades per un dielèctric (fluorur de
magnesi, MgF2 ) d’uns 40 nm de gruix

16. Filtres d’interferència
 La llum incident (policromàtica) és reflectida en
ziga-zaga en el dielèctric i, per interferència,
s’anul·len. Les ones de fons seràn eliminades per
els filtres de vidre.
 Només passaran les ones que siguin adequades
al gruix del dielèctric.
 Seràn ones monocromàtiques i d’una λ
determinada
 Són molt exactes i els més utilitzats

18. Monocromadors
 Redueixen la radiació policromàtica a ABE
de l’ordre de 25 a 0.1nm
 Caixa hermètica:
1. Ranura d’entrada
2. Lent col·limadora
3. Dispersor
4. Ranura de sortida

19. Dispersor***
Tipus:
1. Prisma de dispersió
2. Xarxa o ranura de difracció

20. Prisma de dispersió
 El feix policromàtic→múltiples bandes
monocromàtiques→girem el prisma per a aconseguir
que la banda que ens interessi arribi a la ranura de
sortida.
- Fluorita (CaF2): λ 120 -210 nm
- Vidre: λ 320-750 nm
 Un muntatge especial són els monocromadors amb
prisma dispersor aluminitzat en la part posterior o
amb un mirall acoplat anomenat mirall de Littrow
quels utilitzen per aconseguir amb el rebot del feix
diferents λ per a cada posició.

21. Xarxa o ranura de difracció
Superfície metàl·lica o pel·lícula transparent amb
gran nombre de línies paral·leles o estries, a
intervals molt pròxims (5000 a 20000) per cada
centímetre.
 Feix policromàtic→estries→màxims de difracció a
diferents angles→seleccionar la λ

22. 3. Cubetes / cel·les / cèl·lules
per a mostres
 Material de cares paral·leles no absorbent
 D’un sol ús (netes, sense greix,..)
 Tipus:
 Cubetes per a UV: de quars (silici fos)
 Cubetes per la regió visible: de vidre, quars, plàstic, metacrilat
(camí òptic d’1 a 10 cm)
 Cubetes per IR, segons la fase de la mostra:
F. líquida: entre làmines de NaCl o CaF2
F. sòlida: trituren la mostra i la mesclen amb oli mineral o
bromur potàssic anhidre, després la comprimeixen i sobre la
massa fan que incideixi la radiació.
F. gasosa: tubs cilíndrics (varis centímetres) de vidre amb
unes finestres de clorur sòdic o fluorur de calci. S’omplen
de gas a una pressió de 5 a 50 mmHg

23. 4. Detectors de radiació
 Per a regions del visible i de la UV:
1. Cèl·lula fotoelèctrica o fotoemissiva
2. Cèl·lula fotovoltaica o de capa de bloqueig
3. Tubs fotomultiplicadors
 Per a la regió dels IR:
1. Cèl·lula fotoconductora
2. Termopars

24. Cèl·lula fotoelèctrica o
fotoemissiva(I)
 Ampul·la de vidre (R. Visible) o de quars (UV)
amb una part plana per on entra la llum
 A l’interior s’ha fet el buit i trobem dos
elèctrodes (+/-) connectats a una bateria
 El càtode →làmina de metall alcalí (Li+
; Na+
; K+
i
Cs+
-CsH (hidrur de cesi) sensible ≅ ull)
 En el càtode s’alliberen electrons per efecte
fotoelèctric

25. Cèl·lula fotoelèctrica o
fotoemissiva(II)
 Els electrons s’atreuen per l’ànode (reixeta
davant el càtode, per on passa la llum i es
dirigeix al càtode), tancant-se el circuit
 A vegades l’ampul·la s’omple d’un gas inert (Ne
o Ar)
 Ambdós elèctrodes connectats a un
amperímetre

27. Cèl·lula fotovoltaica o de capa
de bloqueig o de capa-barrera(I)
 Base de ferro
 Capa de Seleni (semiconductor) o d’òxid de coure (CuO)
 Capa de barrera (espècie de fang) que permet el pas d’ ions
però impedeix la barreja de les dues dissolucions que
constitueixen la capa de seleni i la capa següent
 Capa fina de metall transparent (Ag, Au o Pt)
 Radiació → Se → ↑e-
→ Ferro → ddp (per trobar càrrega
elèctrica negativa sobre el ferro i positiva sobre el seleni ja
que a perdut electrons)
 El conjunt està connectat a un galvanòmetre (mesura el pas
del corrent elèctric)
 Avantatges: no cal bateria ni requereix fer el buit

29. Tub fotomultiplicador(I)
 Combina l’efecte fotoelèctric amb
múltiples passos d’amplificació electrònica
http://www.youtube.com/watch?v=k4mKDFPiB
http://www.youtube.com/watch?NR=1&feature

30. Tub fotomultiplicador(II)
Un tub fotomultiplicador és un dispositiu
electrònic que converteix la llum en un
corrent elèctric mesurable, de manera que
podem saber quina quantitat de llum
arriba al dispositiu.
Les seves característiques més
desitjades, són que tingui una gran
amplificació i una resposta molt ràpida.

31. Tub fotomultiplicador(III)
Un tub fotomultiplicador típic consta d'un
fotocàtode que està construït amb un
material fotosensible, diferents elèctrodes
(anomenats dinodes) i un elèctrode
col·lector anomenat ànode. Dins d'una
làmpada on s'hi fa el buit.

32. Funcionament del
tub
fotomultiplicador
:
 Arriba un fotó a la
superfície fotosensible
del fotocàtode.
 Aquest xoc té una
certa probabilitat de
generar un electró.
 Aquest electró és
accelerat per una
diferència de potencial
aplicada als dinodes
Tub fotomultiplicador(III

33.  L'electró accelerat topa amb el
dinode.
 Per l'efecte de l'emissió
secundària, el xoc genera més
electrons.
 Els electrons tornen a ser
accelerats i tornen a xocar amb
el dinode, generant-ne encara
més.
 Es repeteix aquest procés
successivament d'aquesta forma
es produeix l'amplificació del
corrent.
 Al final del tub, els electrons
arriben a l'ànode, generant un
corrent elèctric mesurable.

34. Per a la regió dels IR:
1. Cèl·lula fotoconductora
2. Termopars

36. Esquema de la CIE
La Comissió Internacional d'Il·luminació (normalment
coneguda com a CIE a causa del seu nom francès,
Commission internationale de l'éclairage) recomana la divisió
de la radiació infraroja en tres bandes espectrals:[2]
IR-A: 700 nm–1400 nm
IR-B: 1400 nm–3000 nm
IR-C: 3000 nm–1 mm
Una altra divisió en bandes espectrals força habitual en
enginyeria és aquesta:[3]
infraroig proper (NIR o IR-A), 0,75–1,4 µm, definits per
l'absorció en aigua i usat habitualment en la comunicació per
fibra òptica, gràcies a la poca absorció en vidres de SiO2.
infraroig mitjà (MIR):
infraroig d'ona curta (SWIR o IR-B), 1,4–3 µm, l'absorció
en aigua augmenta considerablement a 1.450 nm
infraroig d'ona mitjana (MWIR o IR-C), 3–8 µm
infraroig d'ona llarga (LWIR o IR-C), 8–15 µm
infraroig llunyà (FIR), 15–1.000 µm

37. CÈL·LULA FOTOCONDUCTORA o
fotocel·la o cèl·lula fotodetectora o
fotoresistències
• Detecta radiació en l'IR proper
• Semiconductor(de sulfur de plom o de telur
de germani) amb electrons que generen un
dèbil corrent elèctric mesurat per un
galvanòmetre.

38. Termopars
•Per a mesurar radiacions en l'IR llunyà
•Utilitzen energia calorífica en lloc d'energia
fotoemissiva
•Són dos filaments soldats a una làmina d'or
protegida per una capa de quars
•La radiació incident augmenta la
temperatura en el punt de soldadura i genera
un corrent elèctric (efecte Seebeck)

40. 5. Sistema d’amplificació i
lectura (analògic, digital o gràfic)
•Quan el senyal elèctric surt del detector serà
captat en un amplificador
•La relació entre els dos senyals (Out/In) ha
de ser suficientment alta per a poder ser
mesurable en el sistema de lectura
•Utilitzen galvanòmetres digitals,..
•Sistema connectat a ordinador amb un soft
especial i a una impressora per a obtenir la
gràfica o espectre de les dissolucions

41. Control de linealitat

42. Espectrofotòmetres de doble
feix
Avantatges:
No cal ajustar a cero l’absorbància del blanc
Eventuals canvis de λ es corretgeixen
automàticament

43. Espectrofotòmetres de doble
feix
Tipus:
 Doble feix en l’espai
 Doble feix en el temps

44. Espectrofotòmetres de doble
feix en l’espai

45. Espectrofotòmetres de doble
feix en el temps
Mirall semiplatejat: T i R
Mirall pla: només R
Interruptor ***

46. Instruments colorimètrics
 Colorímetre de Duboscq
 Hemoglobinòmetre de Sahli
 Tubs o cilindres Hehner

47. Colorímetre de Duboscq
1. Cubetes mòvils (patró /
mostra)
2. Comandaments:
desplaçament i escala
mil·limetrada (l)
3. Cilindres de vidre
transparent
4. Occular (semicercles)
5. Prismes
6. Camins òptics: lp i lx

48. Càlculs

49. Hemoglobinòmetre de Sahli
Dos tubs de
cristall
calibrats, un
amb la
solució de
referència i
l’altre ,el del
problema,
graduat de 0
a 140. (VN
100%)

50. Omplim fins el senyal 10 amb HCl 1%
Afegim 20 µl sang pacient (la hemoglobina
es transforma en clorhidrat d’hematina)
Afegirem petites quantitats d’H2O destil·lada
fins que la coloració del tub problema
sigui similar a la del tub de referència
(referència sòlida, d’un cristall de color i
composició inalterables)

51. Tubs o cilindres Hehner
El 1879 un farmacèutic
alemany, H. C. Wolff, substituí el
sistema mecànic de variació de
la posició dels plungers per un
sistema d’evacuació de líquids en
emprar, com a recipients
contenidors de líquids, dues
buretes especials (cilindres
Hehner); mitjançant l’obertura
d’una clau o l’altra s’aconseguia
equilibrar les columnes de líquid
de la mostra problema i de la
dissolució de referència que
produïen una mateixa percepció
òptica en l’observador

52. Cx = Cp · (hp/hx)
Cilindres Hehner
Dos tubs idèntics amb una clau de
pas pel buidat i amb escales
graduades de 0 a 100
Un pel patró de [] coneguda i l’altre
amb el líquid problema
Comparem ambdós a contraclaror,
anirem buidant el més concentrat ,
es a dir, el que té major intensitat
de color, fins que presentin idèntica
intensitat (observació vertical)
Anotem l’altura de cada cilindre
Apliquem la fórmula:
Font de llum