I Parcial Analisis Instrumental PDF

TIPOS DE MÉTODOS SEGÚN LAS PROPIEDADES DEL PRODUCTO FINAL Los métodos analíticos se pueden clasificar según las propiedades del producto final que miden o analizan. A continuación, se presentan definiciones breves de cada uno de los tipos mencionados: 1. Emisión: Métodos que analizan la luz emitida...

TIPOS DE MÉTODOS SEGÚN LAS PROPIEDADES DEL PRODUCTO FINAL Los métodos analíticos se pueden clasificar según las propiedades del producto final que miden o analizan. A continuación, se presentan definiciones breves de cada uno de los tipos mencionados: 1. Emisión: Métodos que analizan la luz emitida por un material cuando es excitado, como en la espectroscopia de emisión atómica. 2. Adsorción: Técnicas que miden la cantidad de un analito que se adhiere a una superficie sólida, como en la cromatografía de adsorción. 3. Dispersión: Métodos que analizan cómo se dispersa la luz al interactuar con partículas en una muestra, como en la espectroscopía de dispersión de Rayleigh. 4. Refracción: Métodos que miden el cambio en la dirección de la luz al pasar a través de un material, como en el uso de refractómetros para determinar la concentración de soluciones. 5. Difracción: Técnicas que analizan la interferencia de ondas (como la luz) al pasar a través de una red o alrededor de un objeto, como en la difracción de rayos X para analizar estructuras cristalinas. 6. Rotación: Métodos que miden el cambio en la polarización de la luz al pasar por una sustancia, como en la polarimetría, que se utiliza para determinar la concentración de compuestos ópticamente activos. 7. Potencial eléctrico: Métodos que miden la diferencia de potencial eléctrico entre dos puntos, utilizados en electroquímica para determinar concentraciones iónicas. 8. Carga eléctrica: Técnicas que analizan la cantidad de carga en un sistema, como en la electroforesis, donde las partículas se separan según su carga. 9. Corriente eléctrica: Métodos que miden la intensidad de la corriente en un circuito, utilizados en técnicas como la voltametría. 10. Resistencia eléctrica: Métodos que determinan la resistencia de un material al paso de corriente eléctrica, lo que puede relacionarse con la concentración de especies químicas. 11. Masa: Métodos que miden la masa de una muestra, como en la balanza analítica, y se utilizan para determinar concentraciones mediante técnicas gravimétricas. 12. Relación masa-carga: Métodos que analizan la relación entre la masa y la carga de partículas, como en la espectrometría de masas. 13. Velocidad de reacción: Técnicas que miden la velocidad a la cual ocurre una reacción química, utilizadas para estudiar cinéticas reaccionales. 14. Radiactividad: Métodos que miden la emisión de radiación por materiales radiactivos, como en la espectrometría gamma o contadores Geiger. 15. Propiedades térmicas: Métodos que analizan cómo un material responde a cambios de temperatura, como en la calorimetría, que mide cambios de energía térmica durante reacciones químicas. SELECCIÓN DEL MÉTODO  Concretar con claridad cuál es el objeto del análisis  Seleccionar el método analítico que se aplicará  Proponer una estrategia de muestreo que proporcione una muestra representativa  Aplicar el método de análisis con el objetivo de obtener información fiable para resolver el problema planteado. A continuación describiremos de forma breve las distintas etapas: 1. Definición del problema: Para establecer un procedimiento analítico adecuado deben formularse una serie de cuestiones relativas a:  Cuestiones a resolver y tipo de análisis requerido  La naturaleza del material investigado (gas, sólido homogéneo, etc.)  Escala de trabajo  Naturaleza del muestreo  Naturaleza del analito y de la matriz  Importancia de las propiedades analíticas requeridas (métodos de cribado o confirmación)  Otras cuestiones: económicas, tiempo, toxicidad, impacto ambiental,... 2. Selección del método de análisis: Seleccionar el método adecuado es fundamental para el éxito del proceso analítico. Requiere una definición correcta del problema para alcanzar las propiedades analíticas establecidas, atendiendo además a factores complementarios como la disponibilidad de equipo, tiempo, coste, la seguridad y los residuos generados. 3. Toma de muestra: Se planifica una estrategia de muestreo que proporcione una muestra pequeña pero representativa del objeto del análisis y de las cuestiones que debe resolver el proceso analítico. Esta etapa incluye las condiciones de almacenamiento y transporte de la muestra para minimizar la contaminación o las pérdidas de analito. 4. Tratamiento de la muestra: A continuación, se llevarán a cabo las operaciones de preparación de la muestra que sean necesarias. Con frecuencia es la etapa más larga y requiere un conocimiento de las reacciones químicas. Pueden reconocerse las siguientes operaciones:  Preparación: Homogeneización, reducción del tamaño, calcinación, disolución, disgregación o evaporación entre otros procesos.  Separación: Se separa el analito de las interferencias.  Conversión o derivatización: Transformación del analito en otra especie química mediante alguna reacción, con frecuencia con un reactivo orgánico. 5. Medida de la señal analítica: La etapa de medida supone la aplicación de la técnica analítica que proporcionará una o varias señales relacionadas con alguna propiedad del analito o analitos y que, mediante un tratamiento de datos adecuado, deben traducirse en información química sobre la concentración de las especies en estudio. Consta de dos etapas:  Normalización o calibración: Como corresponde a una ciencia metrológica este paso asegura la fiabilidad de los resultados mediante la obtención de información de los patrones (muestras o disoluciones de concentración conocida).  Determinación: Obtención de información de las muestras de concentración desconocida (las que interesa analizar). La determinación se hace tomando como referencia la información obtenida con los patrones en la etapa anterior PARÁMETROS DE CALIDAD DEL MÉTODO CUANTITATIVOS 1. Precisión: Es el grado de concordancia que existe entre las medidas de un mismo experimento o de una misma serie. La precisión puede medirse a través de la desviación estándar y el coeficiente de variación. 2. Sesgo: es la diferencia que se da entre la teoría y la realidad. Puede ser causado por varios factores, como interferencias de otras sustancias en la muestra, errores en la calibración del equipo, o incluso defectos en la preparación de la muestra. El sesgo se mide mediante la diferencia entre el valor medido por el análisis y el valor verdadero 3. Sensibilidad: La sensibilidad se refiere a la capacidad de un método analítico para detectar cambios pequeños en la concentración de un analito. En otras palabras, es la capacidad del método para responder a pequeñas variaciones en la cantidad de la sustancia que se está midiendo. Una alta sensibilidad significa que el instrumento o el método puede detectar concentraciones muy bajas del analito, lo que es crucial en situaciones donde se deben medir trazas de una sustancia. Se puede medir como el cambio en la señal (por ejemplo, absorbancia, intensidad de fluorescencia) por unidad de cambio en la concentración del analito. ∆𝐶𝑜𝑛𝑐𝑒𝑛𝑡𝑟𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛 𝑆𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑 = ∆𝑆𝑒ñ𝑎𝑙 4. Límite de detección: El límite de detección (LOD) es la cantidad mínima de analito que puede ser detectada por un método analítico con una certeza razonable de que el analito está presente, pero no necesariamente en una cantidad cuantificable. Este parámetro es crucial para determinar cuán sensible es un método para detectar cantidades extremadamente bajas de una sustancia. Se puede definir como la concentración más baja de un analito que produce una señal significativa frente al ruido de fondo del instrumento. El LOD generalmente se calcula utilizando la fórmula: LOD=3𝜎/𝑆 Donde: σ es la desviación estándar del ruido de fondo (o de una serie de mediciones repetidas de una muestra en blanco). S es la pendiente de la curva de calibración (también conocida como sensibilidad del método). 5. Intervalo lineal de Concentración: Se refiere a la relación directa y proporcional entre la concentración de un analito en una muestra y la señal medida por el instrumento. Esto significa que, dentro de un rango determinado, un aumento en la concentración del analito genera un aumento proporcional en la señal registrada. La linealidad es importante porque permite realizar cuantificaciones precisas y predecibles La relación lineal se puede describir con la ecuación de una recta: Y=mX+b Donde:  Y es la señal medida (por ejemplo, absorbancia, intensidad de fluorescencia).  X es la concentración del analito.  m es la pendiente de la línea (que está relacionada con la sensibilidad del método).  b es la intersección con el eje Y (normalmente cercano a cero en sistemas ideales). Para que un sistema sea considerado lineal, la relación debe mantenerse constante dentro de un rango de concentraciones. Fuera de este rango, la señal puede volverse no lineal debido a saturación, interferencias u otros factores. 6. Selectividad: La selectividad de un método analítico se refiere a la capacidad del método para identificar y medir el analito de interés en presencia de otros componentes o interferentes en la muestra. Un método altamente selectivo minimiza la influencia de sustancias que no son el analito en la medición, lo que permite obtener resultados más precisos y específicos. En otras palabras, la selectividad determina la capacidad de un método para distinguir entre el analito y otras sustancias que podrían dar lugar a señales similares. Esto es particularmente importante cuando la muestra contiene matrices complejas o cuando varios compuestos tienen propiedades químicas o espectroscópicas similares. La selectividad de un método puede mejorarse mediante el uso de técnicas como: Técnicas espectroscópicas específicas (como espectrometría de masas, espectrometría de absorción atómica, etc.). Uso de reactivos específicos para la formación de complejos con el analito de interés. Separación previa del analito mediante cromatografía u otros métodos de separación. CUALITATIVOS  Velocidad  Facilidad y comodidad  Habilidad del operador  Costo por muestra  Costo y disponibilidad de equipos CALIBRACIÓN DE LOS MÉTODOS INSTRUMENTALES La calibración de un método instrumental es el proceso mediante el cual se determina la relación entre la señal generada por el instrumento y la concentración de una sustancia analizada. Este proceso asegura que el instrumento esté funcionando correctamente y que las mediciones obtenidas sean precisas y reproducibles. 1. Curva de calibración La curva de calibración es una herramienta gráfica que se utiliza para establecer la relación entre la concentración de un analito y la señal medida por el instrumento. La curva se obtiene midiendo la señal de varias soluciones estándar de concentraciones conocidas, y luego graficando la señal frente a la concentración de cada estándar. Pasos para la construcción de una curva de calibración:  Preparar soluciones estándar con concentraciones conocidas del analito.  Medir la señal (por ejemplo, absorbancia, fluorescencia, voltaje, etc.) de cada solución estándar utilizando el instrumento.  Graficar la señal en el eje vertical (Y) y la concentración en el eje horizontal (X).  Ajustar una línea recta (o una curva) a los puntos obtenidos. Esta línea debe pasar por el origen si la relación es perfectamente lineal. 2. Adición de patrón El principio de este método consiste en agregar cantidades conocidas de una solución estándar del analito a la muestra original y luego medir la respuesta del instrumento para cada adición. Al hacerlo, se obtiene una relación entre la cantidad de analito agregado y la respuesta instrumental, lo que permite calcular la concentración del analito en la muestra original. Pasos en el Método de Adición Estándar  Preparar la muestra: Se toma una cantidad conocida de la muestra que contiene el analito cuya concentración se desea medir.  Añadir un estándar: Se añaden varias cantidades conocidas de una solución estándar del analito a la muestra. Usualmente, se realizan varias adiciones con diferentes volúmenes de la solución estándar.  Medir la respuesta: Después de cada adición, se mide la señal del analito usando el método analítico apropiado (por ejemplo, absorbancia, fluorescencia, etc.).   Graficar la respuesta: Se grafica la señal medida (en el eje Y) frente a la cantidad de analito añadido (en el eje X). La relación entre la señal y la cantidad de analito añadido suele ser lineal.  Calcular la concentración de la muestra: El punto de intersección de la línea de la gráfica con el eje X (cuando no se ha añadido analito) representa la cantidad de analito presente en la muestra original. La pendiente de la línea proporciona la información necesaria para calcular la concentración del analito en la muestra. 3. Método del estándar interno El método del estándar interno es una técnica utilizada para mejorar la precisión de la medición y corregir posibles errores sistemáticos, como variaciones instrumentales o errores de preparación de muestra. En este método, se añade una cantidad conocida de un compuesto que no esté presente en la muestra (denominado estándar interno) a cada muestra antes de realizar la medición. Este estándar interno debe ser similar al analito, pero debe ser distinto en su comportamiento (por ejemplo, su masa o su señal analítica). Pasos para el método del estándar interno:  Seleccionar el estándar interno: Elegir un compuesto que sea químicamente similar al analito, pero que no esté presente en la muestra.  Añadir el estándar interno a todas las muestras y soluciones estándar en una cantidad conocida.  Medir la señal del analito y del estándar interno en cada muestra.  Comparar las relaciones de señal: La relación entre la señal del analito y la del estándar interno se utiliza para calcular la concentración del analito en la muestra. La relación entre las señales del analito y del estándar interno se puede escribir como: 𝑆 𝑎𝑛𝑎𝑙𝑖𝑡𝑜 𝐶 𝑎𝑛𝑎𝑙𝑖𝑡𝑜 = 𝑆 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑛𝑑𝑎𝑟 𝐶 𝑒𝑠𝑡𝑎𝑛𝑑𝑎𝑟 FUNDAMENTOS DE LA ESPECTROFOTOMETRÍA La espectrofotometría es una técnica analítica que mide la cantidad de luz absorbida por una muestra en función de la longitud de onda. Se basa en el principio de que las moléculas pueden absorber radiación electromagnética, lo que provoca transiciones energéticas en sus electrones. Potencia: En el contexto de la espectrofotometría, la potencia se refiere a la intensidad de la luz emitida por la fuente de radiación. La relación entre la potencia de la radiación incidente y la radiación transmitida o absorbida es fundamental para calcular la concentración de un analito en una solución. PRINCIPALES MÉTODOS ESPECTROQUÍMICOS 1. Absorción: Se basa en la absorción de luz por las moléculas en una muestra. Cuando la luz pasa a través de una solución, ciertas longitudes de onda son absorbidas, y esta absorción se relaciona con la concentración del analito. 2. Emisión: Este método mide la luz emitida por un analito que ha sido excitado por energía externa (como calor o radiación). El análisis se basa en la intensidad de la luz emitida, que es proporcional a la concentración del analito. 3. Luminiscencia: Incluye técnicas como fluorescencia y fosforescencia, donde los compuestos emiten luz después de haber sido excitados. La luminiscencia es sensible y permite detectar concentraciones muy bajas. 4. Dispersión: En este método, se analiza cómo la luz se dispersa al interactuar con partículas en una muestra. Esto puede ser útil para determinar el tamaño y la forma de las partículas. Relación con Medida de la Clase la Tipos de métodos potencia concentración Inadante, Po Absorción atómica y Absorción -Log(P/Po)= KC Transmitida, P molecular Emisión Emitida, Pe Pe=KC Emisión atómica Fluorescencia, fosforencencia y química Lumiscencia Luminiscente, PL PL=KC luminiscencia atómica y molecular Dispersión de Ramón, Dispersión Dispersada, Pd Pd=KC turbimetría y mefelometría ABSORCIÓN DE LA RADIACIÓN POR COMPUESTOS QUÍMICOS 1. Etapa Excitada: Cuando un fotón es absorbido por una molécula, esta puede pasar a un estado excitado. Este estado tiene más energía que el estado fundamental, lo que puede llevar a cambios en las propiedades químicas y físicas de la molécula. M+fh M* Fotón 2. Etapa de Relajación: Después de un breve periodo en el estado excitado, la molécula regresará a su estado fundamental, liberando energía en forma de calor o luz (en el caso de luminiscencia). Este proceso es crucial para entender cómo se utilizan las transiciones electrónicas para el análisis espectrofotométrico. M* M + calor TRANSICIONES ELECTRÓNICAS Las transiciones electrónicas son cambios en el estado energético de los electrones dentro de una molécula. Estas transiciones ocurren cuando un electrón absorbe un fotón y se mueve a un nivel energético superior. Las diferentes longitudes de onda de luz pueden causar diferentes transiciones electrónicas, lo que permite identificar y cuantificar compuestos químicos. Transición Región del espectro Ejemplo ʎ de más absorción G G* uv vacío CH4 (125nm) n G* Uv lejano Acetona (194nm) 𝜋 𝜋∗ Uv cercano Benceno (203 y 250nm) n 𝜋∗ Uv visible Nitrobenceno (665nm) LEY DE BEER 1. Explicación: La Ley de Beer (o Ley de Beer-Lambert) establece que la absorbancia (A) de una solución es directamente proporcional a la concentración (C) del analito y a la longitud del camino óptico (l): A=ε⋅C⋅b Donde : ε es el coeficiente de absorción molar (litros/mol cm) b: longitud de la trayectoria de la radiación (cm) C: concentración (mol/L) 2. Condiciones de la Ley  Radiación Monocromática: La longitud de onda utilizada debe ser específica para el analito, asegurando que solo se mida la absorción correspondiente.  Especies Disueltas: La ley se aplica solo a soluciones homogéneas donde el analito está completamente disuelto.  Sección de Volumen Recta y Uniforme: La trayectoria óptica debe ser constante y uniforme para evitar variaciones en la absorción.  Refracción Independiente de la Concentración: La refracción de la luz no debe cambiar con la concentración del analito. 3. Desviaciones de la Ley  Reales: Ocurren cuando hay interacciones entre moléculas o agrupaciones que afectan la absorción.  Instrumentales: Errores debidos a defectos en los equipos, como alineación incorrecta o calibración inadecuada.  Químicas: Cambios en el equilibrio químico que pueden alterar la concentración efectiva del analito.   Errores Personales: Errores cometidos por el operador durante la preparación de muestras o mediciones. COMPONENTES GENERALES DE LOS EQUIPOS DE ESPECTROSCOPÍA 1. Fuente de Radiación: Proporciona la luz necesaria para excitar los electrones en el analito. Puede ser una lámpara de xenón, lámpara de halógeno, entre otros. 2. Muestra: El medio donde se encuentra el analito a analizar, generalmente en forma líquida en un cubeta. 3. Selector de Lambda (o Monocromador): Un dispositivo que selecciona una longitud de onda específica de luz para medir su absorción o emisión. 4. Detector: Mide la intensidad de la luz transmitida o emitida después de pasar por la muestra. Puede ser un fotodetector, fotomultiplicador o detector CCD. 5. Sistema de Tratamiento: Procesa las señales eléctricas generadas por el detector para convertirlas en datos utilizables, como gráficos o números. 6. Sistema de Lectura: Presenta los resultados al usuario, ya sea en forma gráfica o numérica, permitiendo interpretar los datos obtenidos. Estos componentes trabajan juntos para permitir un análisis preciso y confiable mediante técnicas espectrofotométricas y espectroquímicas. Fuente de Radiación Muestra Selector de ʎ Sistema de Detector tratamiento Absorción Sistema de lectura Señal de radiación Señal eléctrica