Espectrometría: Guía de Estudio, 6ª Edición

• El guion del tema sirve como referencia para el estudio, complementando las transparencias y explicaciones dadas en clase. Informa sobre las secciones del libro "Principios de Análisis Instrumental, 6ª edición" de Skoog, Holler y Crouch (SHC).
• Se entiende que no hay una sección específica del SHC cuando no se ofrece información complementaria, por lo que lo indicado en las transparencias y explicaciones de clase es suficiente.
• Por coherencia, los subíndices "y", "x", "ins", "cal" hacen referencia a "señal", "concentración", "instrumental" y "calibración", respectivamente.

Particularidades de las técnicas espectrométricas

• Cualquier técnica analítica se basa en lanzar un estímulo al objeto de análisis, modificarlo al provocar un cambio en el analito, y obtener información cualitativa, cuantitativa o estructural a partir de la señal analítica.
• Las técnicas espectrométricas son técnicas analíticas basadas en la Espectroscopia, que estudia sistemas físicos o químicos usando radiación electromagnética u otras partículas energéticas.
• La Espectrometría se refiere a la medición de esas radiaciones.
• Se pueden usar dos tipos de estímulos en las técnicas espectrométricas: un haz de radiación electromagnética (luz) y otros tipos de energía como el calor o las colisiones

Haz de radiación electromagnética (luz)

• Se caracteriza por parámetros que hablan de la energía, como la Potencia (o Intensidad) que indica el número de fotones por unidad de tiempo, y la Longitud de onda (λ) o frecuencia (v), que hablan de la energía de cada uno de esos fotones.
• La energía de los fotones produce modificaciones en las poblaciones de los niveles de energía de las sustancias.
• Las interacciones más importantes entre los fotones y la materia son Absorción y Fluorescencia.
• Además, parámetros como la dirección de propagación, plano de polarización y fase actúan sobre propiedades de la materia como el índice de refracción, el tamaño o la anisotropía.
• Las señales que se obtienen son dispersión (difusión), polarimetría y otras.
• El calor y las colisiones producen modificaciones en los niveles de energía de la sustancia, produciendo señales de Emisión.

Características de las técnicas espectrométricas

• Los tipos de analitos que se determinan usando estas técnicas son atómicos (elementos inorgánicos) y moleculares (sustancias orgánicas).
• La práctica totalidad de los elementos inorgánicos se identifican en estas técnicas y es posible realizar determinaciones simultáneas de diferentes elementos.
• Las sustancias orgánicas complementan a las técnicas cromatográficas, permitiendo análisis directos, sencillos, sensibles y precisos, pero con mayor dificultad para eliminar interferencias.
• Existe una gran variedad de instrumentación para una misma técnica, especialmente en espectrometría molecular, con equipos de características muy diferentes en cuanto a su coste, portabilidad y automatización.
• Hay una gran variedad de técnicas para una misma aplicación, lo que permite mejorar las etapas del proceso analítico (muestreo, disolución,...), dependiendo no solo de aspectos metodológicos sino también de aspectos secundarios como el tiempo, la disponibilidad y la economía.

Revisión de parámetros de calidad de un método analítico

• La mayoría de la información sobre este apartado ya es conocida, pero se comentarán aquellos aspectos que requieran de una explicación adicional del Capítulo 1 del SHC, secciones 1D y 1E

Sensibilidad de un método analítico (Sensibilidad analítica, Sa)

• La constante de proporcionalidad (b₁) entre la señal (y ó M) y la concentración (x ó C) indica el cambio en la señal cuando la concentración cambia.
• La capacidad de un método para dar señales distintas para concentraciones distintas se define en formalmente indica el cambio de señal al cambiar la concentración en una unidad.
• La IUPAC establece que la Sensibilidad de un método analítico (Sa ó S) es la pendiente de la recta de calibrado, con unidades del producto de las unidades de la señal por las inversas de concentración.

Sensibilidad

• En algunas técnicas, todavía se habla de sensibilidad como la concentración de analito capaz de obtener un valor determinado de señal o generar un cambio de señal, en unidades de concentración.
• Esto puede confundirse con el límite de cuantificación o de detección y debe evitarse.
• La posibilidad de modificar la sensibilidad de un método depende de la técnica analítica y de los tipos de términos en la pendiente de la recta de calibrado.

Parámetros que intervienen en la sensibilidad

• Constantes numéricas universales (F, Na, kB, R) son siempre constantes.
• Constantes termodinámicas que dependen del analito (Eo, PKHA, n) son prácticamente constantes para un método dado.
• Parámetros físicos que dependen del entorno físico (Ta, η, p) y factores que relacionan la muestra medida con la sustancia que mide el instrumento relacionan la concentración del analito en la muestra medida con la de la sustancia.
• Estos son importantes en métodos indirectos donde la sustancia que se mide se obtiene al hacer reaccionar el analito con reactivos.
• Parámetros instrumentales que dependen de las condiciones que libremente seleccione el analista como la velocidad de barrido y la longitud de onda.
• Modificando parámetros instrumentales o propiedades físicas de la disolución, la sensibilidad del método puede cambiarse y adaptarse a las necesidades del análisis. En potenciometría, la sensibilidad en la práctica no se cambia para cada analito.
• La sensibilidad analítica es un parámetro fundamental para establecer las posibilidades analíticas de un método, ya que propiedades como el rango lineal, el límite de detección y el límite de cuantificación dependen de ella.
• La forma de obtener la sensibilidad depende de la técnica usada y del método concreto. En métodos absolutos y estequiométricos se obtienen de la teoría, y en métodos instrumentales, de estudios experimentales (recta de calibrado).

Selectividad (Sesgo)

• Los conceptos de selectividad e interferencia son conocidos, pero hay aspectos a recordar.
• Las interferencias se clasifican por el efecto que producen sobre la señal (Aditivas y Proporcionales) y por su origen (espectrales, físicas y químicas).
• Aditivas: independientes de la concentración del analito y acumulan su señal a la de este
• Proporcionales (también conocidas como de Matriz): dependen de la concentración del analito y se manifiestan en un cambio en la Sensibilidad Analítica.
• Físicas: debidas a propiedades intensivas de la muestra (densidad, viscosidad, tensión superficial, temperatura).
• Químicas: sustancias químicas concretas que interactúan con el analito y modifican su concentración efectiva.
• Una interferencia ocurre cuando una misma concentración de analito presenta diferente valor de señal en los patrones de calibración y la muestra.
• La mejor forma de evitarla es igualar tanto como sea posible la muestra y las disoluciones patrón.
• Si la muestra tiene una η distinta que los patrones y esto causa una interferencia proporcional, se añadiría a los patrones una sustancia que iguale su η a la de la muestra.
• Si la muestra contiene una sustancia química que reacciona con el analito y reduce su concentración efectiva, se añade esa sustancia, en la misma concentración, a los patrones para que disminuya de igual manera.
• Si la muestra contiene una interferencia aditiva que produce una señal adicional, se añade esa misma interferencia en la misma concentración a los patrones.
• Se pretende usar los diferentes procedimientos de calibración alternativos a la calibración externa, como el método de los patrones emparejados, la adición estándar y, en algunos casos, el método del patrón interno.
• Resulta mejor suprimir la interferencia que corregirla con los patrones, ya que, por ejemplo, en el caso de una interferencia proporcional, la sensibilidad se reduce y esto provoca que los límites de cuantificación y detección empeoren.

Incertidumbre (imprecisión)

• La diferencia entre los conceptos de imprecisión (concordancia de resultados) e incertidumbre (desconocimiento de un valor) radica en si tienen en cuenta o no el número de réplicas.
• El cálculo de u se suele reservar a la concentración (u(x)).
• La imprecisión se calcula a partir de la desviación estándar (s) y la incertidumbre a partir de la desviación estándar de la media (u).
• Todas las operaciones de un proceso analítico están afectadas por errores aleatorios.
• Aquellos procesos que participen directamente en el cálculo de la concentración comunicarán incertidumbre a dicho valor.
• La incertidumbre combinada (uc) se obtiene combinando las u(x) generadas en cada etapa del proceso.

Incertidumbre, continuación

• Si todas las incertidumbres se expresan en las mismas unidades y se refieren a la misma alícuota, la incertidumbre combinada es igual a la raíz cuadrada de la suma de los cuadrados de cada una de esas incertidumbres.
• De todas las incertidumbres, siempre habrá una o dos más grandes que las demás, por lo que el resto se pueden despreciar frente a ellas. En general, las incertidumbres más importantes son:
  • la debida a la medida: Incertidumbre instrumental (uins), que se obtiene a partir de la imprecisión o ruido.
  • la debida al proceso de cuantificación: Incertidumbre debida a la calibración (Ucal) ó cuantificación, que se calcula a partir de los puntos de la recta de calibrado.
• Estas son las únicas que se tendrán en cuenta en esta parte de la asignatura.
• La incertidumbre es una magnitud que se añadirá al resultado y debe calcularse en unidades de concentración uc(x).
• La relación entre la incertidumbre en unidades de señal y en unidades de concentración es la misma que la que hay entre la señal y la concentración u(y) = b₁u(x) s(y) = b₁s(x).
• El único tipo de incertidumbre que no se puede obtener experimentalmente es la ucal, que hay que calcularla y añadirla.
• En algunas ocasiones, los analistas omiten esta incertidumbre, lo que falsea gravemente la incertidumbre de la determinación.
• La incertidumbre se calcula para después añadirla al resultado obtenido.

Incertidumbre, conclusión

• Esto se efectúa en términos absolutos (empleando Stotal(x)) definiendo un intervalo de confianza (I.C.): I.C. = x ± ku(x) donde k es el factor de cobertura y depende del tipo de distribución y el Nivel de Confianza. El producto ku(x) se le denomina Incertidumbre Expandida.
• En términos relativos, se utiliza la Incertidumbre Combinada Relativa (uc(x%)) que se define de forma similar a la Desviación Estándar Relativa (DER): uc(x%) = 100 uc(x) / x.
• En la práctica la uc(x%) es mucho más informativa que el IC, porque da una idea más clara de la incertidumbre del resultado.
• La variabilidad observada en una medida es debida a pequeños cambios en el instrumento o en la muestra, generando la incertidumbre instrumental.

Dependencia uins(x) de la señal medida (y)

• En las técnicas clásicas como la volumetría, la sins(y) es independiente del valor que se está midiendo y se habla de señales homocedásticas
• En la mayoría de las técnicas instrumentales, la Sins(y) no es independiente de la señal y se observa señales heterocedásticas.
• La sins(y) puede ser independiente de la señal (ruido de tipo No Fundamental), proporcional a √y (ruido de Disparo) o proporcional a y (ruido de Parpadeo).
• Es importante indicar que los valores dependen de cada instrumento en particular, por lo que que se medirá y analizara en el.

Mínima sins(y)

• Todos los equipos necesitan un tiempo de respuesta (tr) y tienen un tiempo de integración (ti), elegible por el usuario. El ti es siempre mayor que la tr. Por lo tanto:
  • ñ = ti / tr, donde ñ es el número de medidas que hará; luego promediará todos los valores.
  • sins(y) ~ 1 / √ti
  • Aumentando el t¡ se puede minimizar el ruido.
  • Matemáticamente disminuyen los coeficientes α, β ό γ con (ñ)1/2.

Minimizar la DERins(y)

• El diseño del método ayuda tambien a minimizarla ya que, el ruido debe ser considerado como la sins(y). Hay que observar, que la dependencia de DER con la señal no es la misma que la de la sins(y) de la que procede.
• Se siguen esta premisas
• Si predomina el ruido No Fundamental, la DERins(y) disminuye con la señal medida
• Si es el ruido de Disparo, la DERins(y) también disminuye (menos bruscamente) con la señal.
• Si es el ruido de Parpadeo, la DERins(y) no cambia con la señal.
• Es posible aplicar el Metodo Patron.
• Una vez que ha sido calibrado, permitirà minimizar tambièn la instrumental, si es que esta fue afectada.

Incertidumbre debida a la cuantificación/calibración (Ucal(X))

• Los origenes de estas incertidumbres provienen de las calibraciones Externas y Internas. Y vienen de las mediciones de la Recta original para determinar mejor su calibración.
• Ucal(xm) = Sy/x / b₁ * √ 1/n + (ym - y)² / b² Σj(xj – x)²

Criterios para minimizar el valor de ucal(x)

• Al obtener la recta
• Usar un elevado numero de patrones (n grande) y procurar que los patrones estén igualmente espaciados (maximizar.
• maximizar en lo posible
• La recta de calibrado minimiza la varianza en exceso, esto quiere decir que se debe evaluar todo el instrumento.
  • Al Usar La Recta →
  • Se previene al diseniar El metodo → ym – ӯ sea mínima.

  Mìnimos Cuadrados Ponganaderds

Es un instrumento donde a pesar de sus limitaciones la formula ya tiene el calculo que compensará la diferencia.

Límite de detección y límite de cuantificación

• Limite de detección es la concentraciòn minima detectable.
• El concepto de límite de detección proviene también de la estadística. Al igual que con cualquier otra muestra, los valores obtenidos al medir un ensayo en blanco (disolución sin analito) al ajustarse de una forma gaussiana.. es de desear que està se encuentre por encima de la Señal de Blanco → èl porque se le aumenta a 333% LD=3.3*Sins(yo)/b1 (6.25)

Limite de cuantificacion

• ES La Cantidad Minma Razonable ∴ Multiplica La Límite de detección, de de tal manera se de el multiplico por 10 siendo a los menos un 1%. Esto a su vez, debe cumplir que tambièn èl analito se acepte.
• LQ= *10 *Sins(y0)/b1 (6.26)
• Por lo tanto debe hallarse èl que esta bien

Rango Dìnamico

• ( Linea ) Rango ( lineal)
• Debe asegurarse que este se encuentre completo. En base de lo que se presente, habrà una concentracion maxima & una minima. Todo lo que se encuentre dentro, se tomarà cuan valido.

Concentracion Minima.

• Cuando generalmente se utiliza como disolución de concentración.
• es desesable tambièn la medicion negativa o positiva

Concentraciòn Màxima

• Hay varias razones , hay valores grandes El incumplimento ( en lo que va a dar la ecuaciòn , va a hacer una simplificaciòn) se le debe aplicar a la series de similitudes Estabilizar de manera racional cuando un punto deje se encuentre relacionado. Es necesario validar si hay error o no Valor de R2. SE suele decir que r2 < el 0.995% . ( No lo use no es adecuado ) de ser que es subjetivamente devil

Técnicas de Espectrometría atómica

Algunos conceptos ya es necesario repasarlos

• En este curso nos centraremos en las transiciones energéticas de los electrones de las capas externas.
• En ausencia de perturbaciones externas que generan radiación, el nivel energético en el que se encuentran los átomos depende de la Tª. La función de distribución de Boltzmann permite calcular la fracción de átomos que se encontrará en cada estado energético a una temperatura dada. Dicha ecuación viene dada por: nj /No =gje^-△Ej/KBT/ / ∑gie^-△Ei/KBT = Pj = cj /Co (con algunas variables que debe leerse)
• *Al ser una función.. se sabe que en el denomidor representa la suma Atomica(Todos)

Niveles Energeticos ( Atomos)

Los atomos tienen : (Distribucion de Los electrones entre los Orbitales) Al nivel energico FUdamental: se le pone energia CERO. corresponde y distribuciòn Segùn los Orbitalies .

• Las Estadios Excitados, Se Optienen cuando El electron Aportado Ya Pertenecia al Atomo.
• Las Energia que se necesita para que el electòn pase de los orbitales Depende Si se observa Si Las Transiciones Vienen De Electores De Valencia.
• Electrones de Valencia → Las Energis Son del ORden de eV: Zona de VISble.

Datos Adicionanles

Si la Energia Aportoda a El NIVELE De IONIZACION . Elimina A El Electron Fermando → Un Iòn. La Informacion De Cada linea Puede verse en las Presentaciònes de clase

Proceseso Moleculares e Internos

Son muy Grandes, Zona De Rayos X Producen casi siempre fotoionizaciòn.

• • Los Atomos tienen Nivel Nucleares, Los 3 dan informaciòn

Proceso Nucleare

Cuando se ace incidir un neutròn, con el Atomo Nucleare ( Transiciones Entre Elias y radiactivida ) Las Tecnica UV visible de la Presentaciones ES SUMAMENTE resumida → pero de todas formas facilita

Se sabe Para saber y que tipo de cosas usar