Métodos espectroscópicos de análisis

UAGRM ANÁLIS IS INS TRUMENTAL

MÉTODOS ESPECTROSCÓPICOS
DE ANÁLISIS


El proceso analítico general
MUESTRA
ETAPAS BÁSICAS
DEL
Operaciones PROCESO ANALÍTICO
previas

Medición de la
propiedad
analítica

Adquisición y
tratamiento de
datos

RESULTADOS
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 2


Análisis, determinación y medida
Análisis : proceso que proporciona información física o química acerca de
los componentes de una muestra o de la propia muestra

Analitos : Componentes que interesan de una muestra.

Matriz: Todos los componentes de una muestra que no son analitos

Determinación : Análisis de una muestra para identificar la identidad,
concentración o propiedades del analito.

Medida : Determinación experimental de las propiedades químicas o
físicas de una analito



Técnicas, métodos, procedimientos y protocolos

Técnica : Principio físico o químico que puede emplearse para analizar una
muestra.
Método : Medio para analizar una muestra a fin de hallar un analito dado en
una matriz específica
Procedimiento : Instrucciones escritas que señalan la forma de analizar una
muestra.
Protocolo: conjunto de instrucciones escritas especificadas por un organismo
para analizar una muestra



Clasificación de los métodos analíticos

os métodos analíticos producen inf ormación químic

INFORMACION ANALITICA: Declaración relacionada con cualquier
propiedad química, física, o biológica denominada propiedad analítica,
analítica
producida en conexión con la información química del material
analizado



P unto de vista histórico
métodos clásicos e instrumentales




Métodos clásicos

Gravimetría
Volumetría

Métodos instrumentales

Espectroscópicos
Térmicos
Electrométricos
Separación



Elección de un método analítico

1. ¿Qué exactitud se requiere?
2. ¿Cuántas muestras se tiene?
3. ¿Cuál es el intervalo de concentración del analito?
4. ¿Qué componentes de la muestra podrían causar
interferencia?
5. ¿Cuáles son las propiedades físicas y químicas de la
matriz de la muestra?
6. ¿Cuántas muestras se analizarán?



Calibración de métodos instrumentales

• Comparación con estándares
• Calibración de un estándar externo
• Métodos de adición estándar
• Método del patrón interno



Conceptos básicos de
espectroscopía

1. La luz y el espectro electromagnético



• Onda Electromagnética
• Radiación electromagnética
• Energía de radiación
• Espectro electromagnético
• Unidades



Onda electromagnética

E

M



Energía de la Radiación velocidad frecuencia

A
λ
Número de onda
h= = 6,6262 . 10 -34 joule . segundo ,
Longitud de onda
Energía es la constante de Planck.
asociada a
un fotón
E = hν E = hC
λ


CARACTERÍSTICAS DE LAS ONDAS

nodo



Unidades :

-10
Amgstrom : Aº = 10 m

Nanómetro : nm = 10 - 9 m

µ m = 10 - 6 -4
Micrómetro : m = 10 cm

-1
Número de onda, ν: cm



Problemas

• Calcular la energía y la frecuencia de la luz con
la longitud de onda de 2.0 x 105 cm

• Cuál es la frecuencia de la luz verde con una
longitud de onda de 500 nm


Espectro electromagnético

Longitud de Onda

Micro- Ondas de
Rayos γ Rayos X ondas radio

0.01-0.1Å 1-10Å 0.02-300cm 3-300m

Energía




Longitud de Onda

Vacio
ultravioleta Ultravioleta Visible Infrarrojo

10-2000Å 200-380nm 385-750nm 0.75-200µm

Energía




Infrarrojo Longitud de Onda

0.75-200µm

IRC : 0.75 – 2.5 µm (13333-4000 cm-1)

IRM : 2.5 – 50 µm (4000-200 cm-1)

IRL : 50 – 1000 µm (200-10 cm-1)

Energía



espectroscopía

2. Interacción de la radiación con la materia



Interacción de la radiación con la materia

Cuando un haz de luz incide sobre un medio puede ser transmitido
(refractado), reflejado, difundido (sobre una superficie rugosa o por
pequeñas partículas), absorbido o puede provocar la emisión de luz
(normalmente en una frecuencia distinta). El color y el brillo son algunas de
las sensaciones que resultan de estos fenómenos en el rango de
frecuencias del espectro visible, pero existe instrumentación para
estudiarlos en un amplio margen del espectro electromagnético




Refracción y reflexión
Cuando un haz luminoso llega a la
superficie que separa dos medios
distintos, parte del mismo es reflejado
hacia el medio de procedencia, y parte
refractado hacia el otro medio. Si la
superficie que separa ambos medios es
completamente plana y sin rugosidades,
los fenómenos tienen lugar siguiendo la
geometría prevista en las leyes de
Descartes



Difusión
Este proceso tiene lugar debido a la
presencia de partículas en suspensión en un
medio transparente (el caso del
humo de un cigarrillo, por ej), o por
vibraciones de las moléculas que forman el
propio medio, en cuyo caso la
intensidad de la radiación difundida depende
de las interacciones de estas moléculas
entre ellas, y por tanto el fenómeno suele ser
de mayor intensidad en gases que en sólidos




Absorción

La absorción de las ondas electromagnéticas requiere considerar que los
electrones ocupan orbitales con niveles discretos de energía, separados
entre ellos por cantidades discretas de energía.
Cuando un medio es alcanzado por una onda electromagnética formada por
radiaciones de diversas energías, alguna de ellas puede coincidir con la de
uno de los saltos energéticos posibles entre un nivel completamente
ocupado por electrones y uno vacío o parcialmente ocupado, entonces un
electrón es excitado al nivel energético superior y la energía de la frecuencia
correspondiente, absorbida




Emisión

La emisión de luz por parte de un medio puede ocurrir si cierta energía es
absorbida por los electrones de los átomos del medio considerado, de modo
que algunos de éstos son promovidos a niveles superiores y dejan un hueco
en su posición original. En estas condiciones la configuración del átomo es
inestable y electrones de niveles energéticos superiores pasan a
ocupar el hueco, liberando parte de su energía en forma de radiación
electromagnética de la energía correspondiente al salto efectuado



Clasificación básica de los métodos ópticos

Métodos espectrales Métodos no espectrales

Moleculares Atómicos Turbidimetria
Nefelometria
Refractometria
Polarimetria
Absorción UV-vis
IR Absorción atómica
Fluorescencia Emisión atómica
Fosforescencia Rayos X (A,E)


Clasificación básica del los métodos ópticos en función
al tipo de interacción radiación- materia

Espectrofotometría UV-vis
Absorción de la
Espectrofotometría IR
Radiación
Espectrofotometría RX
Emisión atómica
Emisión de la
Fotometria de llama
Radiación
Fluorescencia

Refracción de la
Refractometría
Radiación

Rotación de la
Polarimetría
Radiación

Dispersión de la Turbidimetría
Radiación Nefelometría


espectroscopía

3. Origen de los espectros moleculares



Origen de los espectros moleculares

Las moléculas de una sustancia poseen una energía relativa dada, esto es,
dada
pueden existir sólo en niveles de energía fijos. Ello se debe a una serie de
fijos
factores, de los cuales son de nuestro interés los siguientes:
1) Energía debida a los niveles electrónicos.
2) Energía debida a vibraciones entre los átomos que la componen.
3) Energía debida a rotación molecular.
Un espectro de absorción es el resultado de que un átomo o molécula se
excita a un nivel de energía superior mediante la absorción de un cuanto de
energía.



Excitación :

E
E1

∆ E q +hν 2
-hν1

Eo

∆ E = E1 Eo


transiciones energéticas

ν2
λ2
E2
energía

uv
visible
λ1
ν
E1
ν3
λ3
E3
ν4
λ4
E4
IRM
IR

hc
E=hν =
estado estado estado λ
electrónico vibracional rotacional
32
27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D


transiciones energéticas



espectroscopía
3. Clasificación de los métodos
espectroscópicos de análisis



Métodos espectroscópicos de análisis

Radiación Efecto

Rayos X y cósmicos Ionización de moléculas

UV-visible Transiciones electrónicas entre los
OA y OM

Infrarrojo Deformación de los enlaces
químicos

microondas Rotaciones de los enlaces
químicos

radiofrecuencias Transiciones de spín electrónico o
nuclear en los átomos de la
molécula



TÉCNICA
ESPECTROSCÓPICA
INFORMACIÓN OBTENIDA

Estructura total de la molécula incluida la estereoquímica de la
Rayos X misma a partir de las posiciones relativas de los átomos.

Existencia de cromóforos y/o conjugación en la molécula a partir
Ultravioleta-Visible de las absorciones observadas.
Grupos funcionales a partir de las absorciones observadas.
Infrarrojo

Espectrometría de Fórmula molecular y subestructuras a partir de los iones
masas (*) observados.
Grupos funcionales, subestructuras, conectividades,
Resonancia magnética estereoquímica, etc. a partir de datos de desplazamiento químico,
nuclear áreas de los picos y constantes de acoplamiento observadas

(*) No es una técnica espectroscópica en el sentido que estamos viendo pues no existe irradiación electromagnética de la
sustancia y no se produce absorción de dicha radiación.



espectroscopía
3. Leyes de la espectroscopía



Espectroscopía basada en absorción
Leyes de la Fotometría

Primera Ley de Lambert :

Pt = k Po

Po Pt

h T = Pt / Po



Segunda Ley de Lambert :
h = cte.

- k1h
Pt = Po e

Ley de Beer :
C = cte.

- K 2c
Pt = Po e


Ley de Lambert - Beer:

Pt = Po e - K oc h

log Pt =
Kch
Po

A = log Po A=Kch
Pt


potencia del haz
antes de
atravesar el
blanco

absortividad concentración
absorbancia
P0 molar de las
total medida a la
longitud de AT,λ = log = εhc especies
P absorbentes
onda λ
camino
óptico

potencia del haz
P luego de
= Transmitancia (T) A = -logT
P0 atravesar la
muestra



Ley de Lambert - Beer: A= Kch

A= ach C en g/L h en cm

A= ech C en mol/L h en cm

1%
A= Ecm c h C en g/% h en cm
A = 2 - log (% T)


Definiciones
Definiciones

a : absorbancia de una disolución de concentra-
absorbancia de una disolución de concentra-
ción gramo por litro en celda de un
ción gramo por litro en celda de un
centímetro
centímetro

e : absorbancia de una disolución de concentra-
ción mol por litro en celda de un
ción mol por litro en celda de un
centímetro
centímetro

1%
Ecm : absorbancia de una disolución de concentra-
ción gramo por 0.1 litro en celda de un
ción gramo por 0.1 litro en celda de un
centímetro
centímetro



La representación gráfica correspondiente a absorbancia y
transmitancia en un gradiente de concentraciones es la siguiente:

Concen
tración



Propiedad aditiva de la absorbancia
La absorbancia total de una muestra a una longitud de onda determinada es la suma de
las absorbancias de cada uno de sus constituyentes a dicha longitud de onda.

1,6

1,4

1,2

1,0

0,8
A

0,6

0,4

0,2

0,0
0 200 400 600 800
longitud de onda (nm)

¡esto obliga a seleccionar muy bien la λdel analito!


Absortividad molar
depende de:

• características del disolvente
• especie absorbente
• longitud de onda de trabajo
Problema

Una disolución de un analito de concentración 5.00 x 10-4M es
puesta en una celda de muestras la cual tiene una longitud de 1.00
cm. Cuando se mide a una longitud de 490 nm, la absorbancia de
la solución es 0.338. ¿Cuál es la absortividad molar del analito a
esta longitud de onda?

Solución:



Problema

Las absorbancias de las disoluciones que contienen Cr como Cr2O72- en 1.0 M
de H2SO4se midieron a 440 nm en una celda de 1 cm. Se obtuvieron los
siguientes resultados:

Conc. de Cr, Abs.
μg/mL a 440 nm
10.00 0.034
25.00 0.085
50.00 0.168
75.00 0.252
100.00 0.335
200.00 0.669

Determine la absortividad del dicromato (Lg-1cm-1) y la absortividad molar en (L
mol-1 cm-1) a 440 nm



Wavelength, nm Psolvent Psolution
Problema
Los datos siguientes se tomaron de un 350 0.002689 0.002560
espectrofotómetro de diodos en serie en un 375 0.006326 0.005995
experimento para medir el espectro del 400 0.016975 0.015143
complejo Co(II)-EDTA. La columna llamada 425 0.035517 0.031648
Psolución es la señal relativa que se obtiene 450 0.062425 0.024978
con una disolución de la muestra en la 475 0.095374 0.019073
celda después de la sustracción de la señal 500 0.140567 0.023275
oscura. La columna Psolvente es la señal de 525 0.188984 0.037448

referencia que se obtiene cuando sólo está 550 0.263103 0.088537

el solvente en la celda después de la 575 0.318361 0.200872

sustracción de la señal oscura. Determine 600 0.394600 0.278072

la transmitancia a cada longitud de onda y 625 0.477018 0.363525
650 0.564295 0.468281
la absorbancia en cada longitud de onda.
675 0.655066 0.611062
Grafique el espectro del compuesto
700 0.739180 0.704126
725 0.813694 0.777466
750 0.885979 0.863224
775 0.945083 0.921446
800 1.000000 0.977237



Limitaciones de la ley de Lambert- Beer
De acuerdo a la ley de Lambert-Beer, una curva de calibración de absorbancia versus
la concentración del analito en una serie de soluciones estándar debe ser una recta,
con ordenada en el origen en O y una pendiente ab o εb. En muchos casos, sin
embargo, se encuentran curvas de calibración no-lineales.

Estas desviaciones de la linealidad están divididas en 3 categorías: Fundamentales,
químicas e instrumentales



La mayor parte de las especies cumplen con la ley en un determinado
intervalo de concentraciones. Fuera de él, experimentan desviaciones
positivas o negativas. Esto se observa bien en el calibrado:

absorbancia
respuesta debida
a la autoabsorción
o a la luz escasa que
atraviesa la cubeta
respuesta del blanco,
interferencias o escasa
sensibilidad
concentración

Es preciso asegurar
que se está trabajando
en el intervalo lineal!!




selección de la longitud de onda de trabajo
banda A
banda C
A A
banda A
banda B
banda C
banda B

λ concentración
Se debe de procurar medir las absorbancias en el entorno más próximo
a la λ max. de absorción en el espectro (se minimizan errores) y se logran
máximas sensibilidades.
Midiendo lejos de ese punto de máxima absorción:
pequeñas variaciones en la medida se traducen en grandes errores.



Es conveniente ajustar el intervalo óptimo de transmitancias en las
que el error de concentración es mínimo. Es fácilmente demostrable
que calibrando concentraciones que supongan un 20-80% de transmitancia,
el error es mínimo.

pequeños ∆ C ocasionan
grandes ∆ %T
error
relativo pequeños ∆ %T ocasionan
grandes ∆ C

%T concentración



espectroscopía
4. Componentes básicos de los
instrumentos espectroscópicos



Componentes básicos de los instrumentos espectroscópicos

3
2 4
1

1. Fuente 6
2. Selector
3. Muestra
A 5
4. Detector
5. Transductor
6. Registro
λ


Fuentes

UV : lámpara de cuarzo- hidrógeno
lámpara de cuarzo - deuterio

200 - 350 nm

VIS : filamento de tungsteno

350 - 750 nm

IR : emisor de Nerst
globar
filamento incandescente
arco de mercurio
fuentes láser



Fuentes de radiación electromagnética


Fuentes comunes de radiación electromagnética en espectroscopía

Fuentes de energía térmica

Las fuentes de energía térmica más comunes son llamas y plasmas. Las llamas
se originan por combustión de un combustible y un oxidante tales como
acetileno y aire, con lo cuál se alcanzan temperaturas entre 2000 y 3400 K. Los
plasmas, los cuáles están a altas temperaturas, son gases ionizados que
proveen temperaturas entre 6000 y 10000 K.


Fuentes comunes de radiación electromagnética

Fuentes de energía química

Las reacciones exotérmicas pueden también servir como fuente de energía. En
quimioluminiscencia, el analito es elevado a un estado de alta energía por medio
de una reacción química, emitiendo radiaciones características cuando retorna
al estado de baja energía.




3
2 4
1

1. Fuente 6
2. Selector
3. Muestra
A 5
4. Detector
5. Transductor
6. Registro
λ


Selección de la longitud de onda

Un selector de longitud de onda
deja pasar una banda estrecha de
radiación caracterizada por una
longitud de onda nominal, un

da d s ne n
t I
ancho de banda efectivo y una

i
máxima potencia de radiación. El
ancho de banda efectivo se define
como el ancho de la banda a la
Long. de onda
Anchode
mitad de la máxima potencia de banda
Características espectrales de un sistema
radiación selector de longitud de onda



Ancho de banda efectivo= 0.25 nm Ancho de banda efectivo= 2.0 nm

Ancho de banda efectivo= 1.0 nm Ancho de banda efectivo= 4.0 nm



Para análisis cualitativo, la resolución es
generalmente más importante que la
máxima potencia de radiación; así,
pequeños anchos de banda efectivos
son deseables.

En análisis cuantitativo una alta
potencia de radiación es usualmente
deseable



Selector : filtro, prisma o rejilla

rendija Rejilla
Filtro

Prisma de difracción


Monocromadores

espejo espejo
colimador focalizador
con red de
difracción
λ2

λ1

rendija de rendija de
entrada elemento salida
dispersante

con prisma λ2

λ1

lente colimadora lente focalizadora




3
2 4
1

1. Fuente 6
2. Selector
3. Muestra
A 5
4. Detector
5. Transductor
6. Registro
λ



Area de la muestra : celdas

UV : cuarzo, sílice

VIS : vidrio, cuarzo, sílice

IR : cloruro de sodio, bromuro
de potasio, yoduro de cesio



Celda para gases en IR :


Celda desmontable para IR :




3
2 4
1

1. Fuente 6
2. Selector
3. Muestra
A 5
4. Detector
5. Transductor
6. Registro
λ



Detectores :
Al final la luz seleccionada tiene que ser detectada y cuantificada.
*Esto se consigue con el empleo de detectores cuyo cometido es convertir
la respuesta del instrumento en una señal medible.
*Dependiendo del tipo de luz con el que se trabaja existen distintos tipos
de detectores:

 De fotones (fotoeléctricos)
celda fotovoltaica (VIS)
fototubo (UV-VIS)
fotodiodos de silicio

 De calor (térmicos)
termopar
termocupla
neumático


FOTOTUBOS Y FOTOMULTIPLICADORES

Están basados en el efecto fotoeléctrico, en el que la incidencia de un
haz fotónico sobre un metal es capaz de generar energía eléctrica
FOTOTUBO

colector

En el caso de los
fotomultiplicadores, la señal se
amplifica mediante el uso de FOTOMULTIPLICADOR
diodos en serie.



En la actualidad es el detector
espectrofotométrico mas utilizado
acoplado a un sistema cromatográfico
líquido


Requisitos de los detectores
deben responder a un amplio rango de longitudes de onda

deben dar respuesta rápida

deben ser sensibles a bajos niveles de radiación

deben producir señal eléctrica fácilmente amplificable

deben tener bajo nivel de ruido

la señal debe ser proporcional a la potencia radiante




3
2 4
1

1. Fuente 6
2. Selector
3. Muestra
A 5
4. Detector
5. Transductor
6. Registro
λ




La señal eléctrica generada por el transductor es enviada a un procesador de
señal donde se muestra de la forma más conveniente para el analista. El
procesador de señal también puede ser usado para calibrar la respuesta del
detector, para amplificar la señal del detector, para eliminar el ruido por
filtración o por transformación matemática de la señal.



Procesador de señal y lectura

Es el último componente básico de instrumentación

Todo espectrofotómetro ha de disponer de:
1. Sistema de amplificación propia que produzca una señal medible
2. Un sistema procesador de la señal, que permita eliminar, promediar
datos, proporcionar salida de lectura, dirigir la salida de la señal..etc
3. Una salida de la señal: digital,registrador..etc
4. Tener cierta capacidad de procesar números /FTIR



Limitaciones
instrumentales



Limitaciones instrumentales
Especificaciones y parámetros óptimos de trabajo

Se denomina exactitud y reproducibilidad fotométrica a la exactitud de las
determinaciones de transmitancia o absorbancia y a la reproducibilidad de las mismas
respectivamente.
La exactitud y reproducibilidad de longitud de onda en general son sumamente
importantes en determinaciones cualitativas porque afectan la certeza del dato de la
longitud de onda del máximo o mínimo espectral y la posibilidad de su comparación con
otros espectros, particularmente si se trata de sustancias con máximos o mínimos
próximos
a) el ancho de banda espectral (que gobierna la resolución);
b) la luz espuria («stray light» o «luz dispersa»);
c) la relación señal a ruido;
d) la respuesta y energía.




Ancho de banda
espectral
Cuanto más estrecho sea
este rango más cerca se
estaría, en principio, del
valor real,




Luz espuria o parásita

En general, esta radiación «contaminante» no deseada, que se denomina
consecuentemente luz espuria («stray light», luz dispersa o luz falsa) es sólo
una pequeña cantidad respecto de la radiación del intervalo deseado o «luz
genuina», si el espectrofotómetro está en condiciones razonablemente buenas.
Por ello bajo condiciones normales, no muy severas, los errores debidos a la luz
espuria no son muy graves, pero hay situaciones en las que el error ocasionado
puede ser de consideración.




Luz espuria



Se aprecia la señal del detector en función
de la real longitud de onda (curva superior). Si
la muestra absorbe fuertemente en la zona de
longitudes de onda seleccionada, como se
representa en la segunda curva, al detector
llegará muy poca luz «genuina» y, por lo tanto,
una cantidad relativamente grande de luz
espuria, lo que se ilustra en la figura inferior. El
resultado naturalmente es una señal detectada
total mayor que la que correspondería, esto es,
error por defecto en absorbancias (y por tanto
en concentración). Supongamos que la
muestra ha absorbido 99% de la luz «genuina»,
o sea, pasa un 1% (absorbancia 2,0). Si la luz
espuria del espectrofotómetro en esa zona es
de 0,5%, al detector llega la suma de ambas,
1,5%, lo que significa 50% de error en
transmitancia, si bien sólo menos de un 18% en
términos de absorbancia o concentración.


Métodos espectroscópicos de análisis

Recomendados

Recomendados

Mais conteúdo relacionado

Mais procurados

Mais procurados (20)

Destaque

Destaque (6)

Semelhante a Métodos espectroscópicos de análisis

Semelhante a Métodos espectroscópicos de análisis (20)

Mais de samantha

Mais de samantha (6)

Métodos espectroscópicos de análisis

Notas do Editor