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Técnicas Ópticas Espectroscópicas: Introducción

• La espectrometría es el método de medida de la cantidad de energía radiante que absorbe o emite un sistema químico a una determinada longitud de onda.
• Los métodos espectrométricos están basados en las espectroscopias atómica y molecular.
• La espectroscopia es la ciencia que estudia las interacciones entre la radiación electromagnética y la materia.
• En espectroscopia se descubrió el helio antes en el sol que en la tierra.
• Las técnicas permiten detectar y medir la absorción o emisión de radiación electromagnética a ciertas longitudes de onda, relacionándolas con los niveles de energía en una transición cuántica.
• Las técnicas espectroscópicas más utilizadas están relacionadas con la radiación electromagnética, una forma de energía que incluye luz y calor radiante.
• Estos métodos se clasifican según la región del espectro electromagnético utilizada para la medición, incluyendo:
  • Rayos gamma
  • Rayos X
  • Radiaciones ultravioletas
  • Visible
  • Infrarrojo
  • Microondas y radiofrecuencia

Propiedades Generales de la Radiación Electromagnética

• La radiación electromagnética (REM) es un tipo de energía que se transmite por el espacio a grandes velocidades y no necesita de un medio de apoyo, propagándose fácilmente a través del vacío.
• La propagación de la radiación electromagnética disminuye al atravesar cualquier medio material.
• Las manifestaciones más conocidas de la REM son la luz y el calor radiante.
• La interacción REM-materia da lugar a fenómenos ópticos (reflexión, refracción, dispersión, rotación, etc.) y fenómenos de absorción y emisión de REM por parte de la materia.
• Todos estos fenómenos son la base de los métodos ópticos de análisis.

Propiedades Ondulatorias de la Radiación Electromagnética

• Muchas propiedades de la radiación electromagnética se explican considerándola como una onda sinusoidal formada por campos eléctricos y magnéticos perpendiculares que transportan energía.
• El campo eléctrico es responsable de la transmisión y absorción de energía, la reflexión y la refracción.
• La componente magnética de la radiación es responsable de la absorción de las ondas de radiofrecuencia en la espectroscopia de resonancia magnética nuclear.
• Se puede caracterizar/describir en función de los siguientes parámetros físicos:
  • Amplitud (A): Desplazamiento máximo de un punto respecto de la posición de equilibrio.
  • Longitud de onda (λ): Distancia entre dos puntos análogos consecutivos, medido en metros (m) o nanómetros (nm), donde 1 nm equivale a 10-9 metros. También se puede medir en angstrom, A (10-10 m).
  • Frecuencia (v): Número de ciclos o vibraciones por unidad de tiempo, medido en hercios (Hz), donde 1 Hz = 1 s¯¹.
  • Período (T): Tiempo invertido en efectuar un ciclo o vibración completa, siendo la inversa de la frecuencia (T=1/f; f=1/T).
  • Número de onda (v): Inverso de la longitud de onda en centímetros (cm¯¹), usado en espectroscopia infrarroja, directamente proporcional a la frecuencia y energía de la radiación.
  • Velocidad (V): Velocidad de propagación de la onda, calculada como V = v× λ=c, donde la velocidad aproximada de la radiación electromagnética es 3 × 10-8 m/s (c).
• La frecuencia de un haz de radiación está determinada por la fuente y permanece invariable al pasar de un medio a otro, mientras que la velocidad y la longitud de onda varían con la composición del medio debido a la interacción.

Propiedades Corpúsculas de la Radiación Electromagnética

• El modelo ondulatorio explica los fenómenos que cambian la dirección de propagación de la REM al interactuar con la materia (refracción, dispersión, rotación).
• No explica los fenómenos de absorción y emisión de energía radiante.
• Se utiliza un modelo corpuscular en el que la radiación electromagnética se considera un flujo de partículas discretas de energía denominadas fotones, con energía proporcional a la frecuencia de la radiación.
• La energía transmitida es inversamente proporcional a la longitud de onda y directamente proporcional a la frecuencia.
• Una exposición continua a rayos X provoca daños en los organismos, mientras que las ondas de radio son inocuas.

El Espectro Electromagnético

• La distribución energética de las radiaciones electromagnéticas se conoce como espectro electromagnético.
• El espectro electromagnético abarca un intervalo enorme de longitudes de onda y frecuencias, con representación logarítmica.
• De menor a mayor longitud de onda, las radiaciones más conocidas son:
  • Rayos X: Medicina
  • Radiación Ultravioleta: Causa efectos nocivos para la piel
  • Radiación Visible: Luz que vemos
  • Infrarrojo: Imágenes de meteorología
  • Microondas: Utilizadas en la cocina
  • Ondas de radio: Telecomunicaciones

Efectos de la Absorción de la Radiación Electromagnética sobre las Moléculas

• Un átomo o molécula está formado por protones y neutrones en el núcleo, y electrones en orbitales alrededor del núcleo.
• En el estado fundamental, los electrones llenan los orbitales de menor energía cerca del núcleo con un máximo de dos electrones con espines opuestos por orbital.
• Al aumentar la energía de un átomo o molécula con radiación electromagnética, se alcanza un estado excitado.
• Los cambios energéticos dependen de las características de los átomos/moléculas y la longitud de onda de la radiación incidente.
  • Microondas: Aumentan el movimiento rotacional de las moléculas.
  • Radiación Infrarroja: Estimula el movimiento vibratorio de las moléculas
  • Radiaciones Ultravioleta y Visible: Los electrones pasan a orbitales de mayor energía, llamada transición electrónica.
  • Los rayos X: Rompen los enlaces de las moléculas
• En resumen, los efectos dependen de la energía transportada por la radiación, proporcional a la frecuencia e inversamente proporcional a la longitud de onda.
• Además, la longitud de onda determina qué átomos o grupos de átomos (cromóforos) absorberán la radiación.
• Después de la absorción, el exceso de energía se disipa mediante procesos de relajación, donde las partículas excitadas vuelven a su estado fundamental emitiendo energía en forma de calor o radiación electromagnética de distinta frecuencia (mayor longitud de onda), utilizada con fines analíticos.

Espectros de Absorción y Emisión

• Un espectro de absorción o emisión es una representación gráfica de la energía de la radiación absorbida o emitida por una sustancia en función de la longitud de onda o la frecuencia.
• Existen dos tipos espectros
  • Espectro de absorción atómica: Las partículas monoatómicas absorben solo unas pocas frecuencias definidas, originando espectros formados por líneas espectrales (espectros atómicos o de líneas).
  • Espectro de absorción molecular: Las moléculas se excitan, originando espectros más complejos formados por bandas (espectros moleculares o de bandas).

Espectrofotometría de Absorción Molecular Ultravioleta Visible

Fundamentos Científico-Técnicos

• La espectroscopía de absorción analiza la radiación electromagnética con longitudes de onda entre 160 y 780 nm.
• A la absorción de radiación UV-visible, le sigue la excitación de los electrones de enlace debida a la interacción con los fotones de la radiación.
• Los electrones “saltan” a otros estados superiores de energía. Son las transiciones electrónicas, a determinadas longitudes de onda, las que caracterizan a una molécula o grupo funcional de la misma (cromóforo) y la hacen diferente.
• Se detectan en un espectro de absorción molecular
• Los espectros de absorción molecular son más complejos que los espectros de absorción atómica.
• La ley de Lambert-Beer relaciona la concentración de analito con la cantidad de energía que absorbe.
• La transmitancia (T) se define como la fracción de radiación incidente que pasa a través de la disolución absorbente. % T = 100×T
• La absorbancia (A) representa la fracción de radiación incidente absorbida por la disolución. A = log x (Io/I) = -logT A = 2 - log%T
• La absorbancia de un medio aumenta cuando la atenuación del haz se hace mayor.
• Tanto %T como A son adimensionale
• La ley de Lambert-Beer establece que la absorbancia es directamente proporcional al camino óptico b y a la concentración c de la especie absorbente: A =∈x b x C
  • b es la la anchura de la cubeta
  • c es la concentración del analito en la muestra en moles/L.
  • e es la absortividad molar que depende de las características de la muestra y longitud de onda
• Se elige la longitud de onda correspondiente a un máximo para las determinaciones cuantitativas si las mediciones se correspondan de una mejor manera.
• Leyes para verificar Los factores son importantes a considerar
  • A concentraciones muy elevadas se pierde lineal dad y las cuvetas rayada o sucias.
  • Cambios químicos asociados a a la concentración puede que dependan de los factores químicos

Descripción del Instrumental y de la Técnica Analítica

Instrumentación: Espectrofotómetros UV-vis

• Un equipo de espectrofometría típico está incluye los siguientes componentes:
  • Fuente estable de radiación
  • Un dispositivo que seleccione la longitud de onda
  • Recipientes transparente
  • Un detector de radiación
  • Un sistema de salida de datos

Fuentes de Radiación

• Se encargan de proporcionar la energía radiante (UV y visible) necesaria para estimular el analito Hay de dos tipos:
  • Fuentes continuas y discontinuas o de líneas
• Emiten radiación en un amplio rango de longitudes de onda Algunas de las más utilizadas fuentes continuas son:
  • Las lámparas de arco de deuterio: eminen radiación ultravioleta desde 200 nm a 400 nm
  • Las lámparas de filamento wolframio: Es la fuente más común en el visible e IR
  • Lámpara de filamento e tungsteno: adecuadas para longitudes de onda comprendidas entre 350 y 220 nm
  • Lámparas de arco de xenón : útiles para fluorescencia molecular (350-600 nm)

Selectores De Longitud De Onda O Analizadores

• Para seleccionar una longitud de onda se utiliza monocromadores y/o filtros
• Aumenta la sensibilidad de las medidas de absorbancia
• Radiación de longitud de onda corresponde a una radiación de una única longitud
• Eficaz con la calidad del dispositivo en la anchura de banda Hay dos clases de selectores de longitud de onda:
  • Los filtros y los monocromadores
• Los primero se utilizan en fotómetros y los segundos en espectrofotómetros
• Los filtros están compuesto por material que transmite para seleccionar una longitud de onda

Recipientes Para Muestras

• En un análisis de espectroscopia de UV-Vis se utilizan normalmente muestra líquidas dentro celdas o cubetas
• Se requiere o requerir cuarzo o sílice fundida para la región ultravioleta
• El vidrio-silicatados son aceptables en análisis para el visible

Consideraciones

• Se deben considerar precauciones cómo:
  • Selección de longitud de onda
  • Variables que incluye en la absorbancia: la naturaleza del disolvente ,pH, temperatura, concentraciones
  • Usar cuvetas limpias y manipuladas
  • Determinar la relación entre absorbancia y concentración

Metodo de adición

• Los reactivos tienen que estar en total pureza e idoneidad para hacer medidas correctas con el calibrador.
• Medidas con los regristros gráficos dan registros espectrales. Representar el porcentaje de transmitancia con las longitudes de onda es útil para interpretar un espectro molecular.

Criterios de selección de una técnica:

• Para elegir una técnica es en base a:
  • Calidad del funcionamiento del equipo
  • Exactitud
  • Exactitud
  • Sensibilidad
  • Límite de detección

Aplicaciones:

• Medidas en la espectroscopia son muy importantes para la química y en análisis para agua, residual, análisis clínicos, agroalimentarios, fármacos, etc.

Riesgos asociados

Se necesita tomar precauciones seguidas por directrices en el laboratorio.

Espectrofotometría De Absorción Atómica

Fundamento científico-técnico

• Fundamentado en la absorción de radiación por parte de especie atómicas las cuales están en ‘vapor de átomos’
• Podemos conocer por Lembert el valor de concetraión de a muestra por medio de absorbancia.

Descripción Del Instrumental y De La Técnica Analítica:

• Los equipos de medida son más completos que otros
• Utiliza un atomizador que evapore y convierte particulas solidad en átomos:
  • Opciones con llama y/o horno grafito
• Generada con un quemador que combina acetyleno y aire o también se puedes usar
  • Oxigeno que caliente hasta 1000C La muestra:
• Se introduce por un nebulizador que los rompe dejando micro gotitas
• Estos se juntan con combustible - comburente con filtros para mayor mezcla
• 5% de inicial es aspirado
• La fuente debe emitir radiación.

Ruidos e interferencias:

• Correcion de fondo
• Se conoce corrección de absorción de fondo.
• Las interferencias se evalúan corrigiendo lámparas auxiliares
• Un interruptor interrumpe para eliminar el resido
• Para minimizar se realiza un análisis a temperaturas altas disolviendo más ácidos y a disociar estos compuestos.

Criterios De Elección De Una Técnica Aplicaciones

• Se analizan todo los metales diferentes en solución y emiten ultravioleta.
• En la reproductibilidad, es lo mejor por control analítico.
• Sensibilidad y exactitud en una escala grande

Riesgos Asociados Y Mantenimiento Preventivo:

• Se necesita tener seguridad al trabajo y minimizarlos:

Espectroscopia De Emisión Atómica: Fotometría De Llama:

• No es preciso la lámpara para dar radiacion

• Se analiza la longitudes de onda emitidas al transferir un electrona atomo molécula en estado de menor energia.

• Aproxidamente 1 nanosegundo en el nivel original o a uno de los niveles intermedios .

• El proceso átomo envíe sola línea de radiación para toda energía donde E1 y E2, h es la constante De Planck.

• Para excitar al elemento en edo fundamental a el primer nivel hay que llevar electron de valencia al estado excitado.

• Requiere fuente suficiente de energía

• La espectroscopia abarca fuentes de execitación: Llamas, plasma ,arco etc. Analizando tipos de metales

  Fuente de Energia	Tecnica
  Llama	Fotometría de llama
  Radiación electromagnética	Fluorescencia atómica
  Eléctrica	Espectrometría de emisión
  Plasma	ICP(Plasma Acoplado Inductivamente)
  Rayos X	Fluorescencia de Rayos X

• Se puede variar forma de exitacion y atomización por plasma utilizando por llama

• Excitacicón atómica AA depende que el átomos este estado fundamental

Descripción Instrumental y de la técnica

• Que la llama cumpla 2 condiciones: tener temp adecuada ambiente
• La llama cuenta con un cono interno exerno interconal para unir y descomponer átomos.

Secencias que tienen en la llama

• La evaporación muestra Aerosol , atomización y transiciones de electrones al esta excitado.

El Fotosito De Llama

• Regulacion de fijo combustible + comburente ,afectar muestra a velocidad de Atomización.