Clase 01 Intro
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Análisis Instrumental Introducción al Análisis Instrumental
Introducción al Análisis Instrumental
Universidad de ColimaFacultad de Ciencias Químicas
Análisis Instrumental Introducción al Análisis Instrumental
- Generalidades
- Características de los métodos instrumentales
- Clasificación de los métodos instrumentales
- Componentes genéricos de los instrumentos de análisis
- Clasificación de métodos y ejemplos
- Señal y ruido. Fondo y deriva de una señal.
- Calibración
Temas:
Universidad de ColimaFacultad de Ciencias Químicas
Análisis Instrumental Introducción al Análisis Instrumental
- Comprender la importancia de conocer la estructura de los elementos químicos y
de las moléculas.
- Encontrar las diferencias entre los métodos clásicos y los métodos instrumentales
de análisis químico.
- Conocer la clasificación de los métodos instrumentales.
Objetivo:
Universidad de ColimaFacultad de Ciencias Químicas
Análisis Instrumental Introducción al Análisis InstrumentalGeneralidades/ Características de los métodos Instrumentales
Análisis cualitativo y cuantitativo
El objetivo de la Química Analítica es la determinar la composición química de la materia.El análisis cualitativo suministra información sobre las especies (analitos) presentes en una muestra.El análisis cuantitativo suministra información sobre la concentración de dichos analitos.
Métodos clásicos e instrumentalesLos métodos clásicos de análisis se basan en la medida directa de un volumen (volumetrías) o de un peso (gravimetrías) de un reactivo estándar que reacciona completamente con el analito.Los métodos instrumentales se basan en la medida de una propiedad física del analito (como su conductividad, potencial eléctrico, emisión o absorción de luz, fluorescencia, etc.), denominada señal analítica, que está relacionada con la naturaleza y la concentración de analito. Dichas medidas se llevan a cabo utilizando un instrumento que transforma la señal analítica en otra que pueda entender un observador (un número en una escala, un pico en un registrador, etc.)
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Análisis Instrumental Introducción al Análisis Instrumental
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Análisis por vía húmeda
Análisis usando Instrumentos
Clásicos
Instrumentales
Métodos Analíticos
Generalidades/ Características de los métodos Instrumentales
Análisis Instrumental Introducción al Análisis Instrumental
Universidad de ColimaFacultad de Ciencias Químicas
Análisis por vía húmeda
Generalidades/ Características de los métodos Instrumentales
- Color- Punto de ebullición- Punto de fusión- Solubilidad- Olor- Actividad óptica- Índice de Refracción
- Gravimetría
- Volumetría
Cualitativo
Cuantitativo
Análisis Instrumental Introducción al Análisis Instrumental
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Componentes genéricos de los instrumentos de análisis
Que el alumno:
- Defina un instrumento analítico.
- Conozca el funcionamiento y componentes de un instrumento analítico.
- Conozca algunos ejemplos de métodos instrumentales.
Objetivo:
Análisis Instrumental Introducción al Análisis Instrumental
Universidad de ColimaFacultad de Ciencias Químicas
Componentes genéricos de los instrumentos de análisis
¿Qué es un Instrumento Analítico?
Es un dispositivo de comunicación entre el sistema objeto de estudio y el científico
Análisis Instrumental Introducción al Análisis Instrumental
Universidad de ColimaFacultad de Ciencias Químicas
Componentes genéricos de los instrumentos de análisis
¿Qué hace un Instrumento Analítico?
Transforma información relacionada con las propiedades físicas o químicas del analito en información que puede ser manipulada e interpretada por el ser humano
Señal transducida
(generalmente
eléctrica)
Análisis Instrumental Introducción al Análisis InstrumentalComponentes genéricos de los instrumentos de análisis
En otras palabras, transforma la señal analítica en otra señal que pueda ser entendida por un observador. Sus componentes son:
Generador de señales
Dispositivo de lectura
Procesador de señales
Detector(Transductor de entrada)
Señal analítica
Señal procesada o
de salida
Contador Registrador
Pantalla
-Generador de señales: produce una señal analítica, debido a la presencia de analito, proporcional a su concentración o cantidad-Detector: transforma la señal analítica en una señal generalmente eléctrica, que se modifica fácilmente-Procesador de señales: modifica la señal transducida para accionar el dispositivo de lectura (generalmente se amplifica la señal multiplicándola por k>1)-Dispositivo de lectura: convierte la señal procesada en una señal que pueda entender el observador (un número en una escala, un pico en un registrador, una imagen …)
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Métodos eléctricos
Métodos ópticos
Análisis Instrumental Introducción al Análisis InstrumentalClasificación de los métodos Instrumentales
Los métodos instrumentales se clasifican en función de las propiedades físicas usadas como señal analítica:
-Emisión de radiación
-Cambio de las propiedades de un haz de radiación que atraviesa la muestra (absorción, refracción, dispersión, rotación)
-Medida de propiedades eléctricas (potencial, carga, corriente, resistencia)
-Otras (relación masa/carga, velocidad de reacción, propiedades térmicas, radiactividad)
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Análisis Instrumental Introducción al Análisis Instrumental
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Ejemplos de métodos instrumentales
Emisión de la radiación
- Espectroscopía de emisión
- Fluorescencia
- Fosforescencia
- Luminiscencia
- Ultravioleta- Visible- De electrones
- Rayos-X- Ultravioleta- Visible
Análisis Instrumental Introducción al Análisis Instrumental
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Ejemplos de métodos instrumentales
Absorción de la radiación
- Espectroscopía y fotometría
- Espectroscopía fotoacústica
- Resonancia Magnética Nuclear
- Ultravioleta- Visible- Infrarrojo
Análisis Instrumental Introducción al Análisis Instrumental
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Ejemplos de métodos instrumentales
Dispersión de la radiación
- Turbidimetría
- Nefelometría
- Espectroscopía RAMAN
Refracción de la radiación
- Refractometría
- Interferometría
Análisis Instrumental Introducción al Análisis Instrumental
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Ejemplos de métodos instrumentales
Difracción de la radiación
- Difracción de rayos-X
- Difracción de electrones
Rotación de la radiación
- Polarimetría
- Dispersión rotatoria óptica
- Dicroísmo circular
Análisis Instrumental Introducción al Análisis Instrumental
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Ejemplos de métodos instrumentales
Potencial eléctrico- Potenciometría
- Cronopotenciometría
Corriente eléctrica- Polarografía
- Amperometría
Carga eléctrica - Coulombimetría
Análisis Instrumental Introducción al Análisis Instrumental
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Ejemplos de métodos instrumentales
Masa - Gravimetría
Relación masa/carga
Espectrometría de masas
- Impacto electrónico
- Ionización Química
- Electroespray
- FAB
Radioactividad- Activación isotópica
- Dilución isotópica
Análisis Instrumental Introducción al Análisis Instrumental
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Ejemplos de métodos instrumentales
Propiedades Térmicas
- Gravimetría y volumetría térmica
- Calorimetría de barrido diferencial
- Análisis térmico diferencial
- Métodos de conductividad térmica
Análisis Instrumental Introducción al Análisis Instrumental
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Señal y ruido.
Fondo y deriva de una señal
Análisis Instrumental Introducción al Análisis Instrumental
Universidad de ColimaFacultad de Ciencias Químicas
Señal y ruido. Fondo y deriva de una señal
Que el alumno:
- Conozca las diferencias entre señal y ruido.
- Establezca la diferencia entre una señal de fondo y una deriva.
Objetivo:
Análisis Instrumental Introducción al Análisis InstrumentalSeñal y ruido.
Señal y ruido
Las medidas analíticas constan de dos componentes:
-La señal, que lleva la información del analito de interés-El ruido, que se debe a las fluctuaciones aleatorias inherentes a la combinación del instrumento y el método analítico (IUPAC, Compendium of Analytical Nomenclature, 1997) y da una información ajena e indeseada. Influye en la exactitud y precisión de la medida así como aumenta el límite de detección del método.
El valor promedio del ruido (N) suele ser constante e independiente de la magnitud de la señal analítica (S), con lo que el error relativo de una medida aumenta al disminuir el valor absoluto de esta.
Señal Ruido Señal + Ruido
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Análisis Instrumental Introducción al Análisis InstrumentalSeñal y ruido.
La calidad de un método analítico o del funcionamiento de un instrumento se describe a partir de la relación señal ruido (S/N). Se consideran imposibles de detectar las señales cuya relación señal ruido es inferior a 2 o 3
Relación señal/ruido
Es imposible eliminar completamente el ruido, pero es posible minimizar su efecto aumentando la relación S/N tanto a nivel de hardware (empleando componentes en el procesador de señales que eliminan o atenúan el ruido sin afectar a la señal) como de software (empleando programas informáticos capaces de separar las señales analíticas de un entorno ruidoso)
Tipos fundamentales de ruido:Ruido químico: proviene de la variación no controlable de las variables que afectan la química del sistema estudiado (variaciones en temperatura o presión que afectan al equilibrio químico, humedad en muestras sólidas, luz que afectan a materiales fotosensibles, etc.)Ruido instrumental: asociado a cada parte del instrumento. Puede deberse a fenómenos eléctricos del propio instrumento o en las variaciones en la radiación electromagnética del ambiente que es recogida por los componentes del instrumento (ruido ambiental)
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Análisis Instrumental Introducción al Análisis InstrumentalFondo y deriva de una señal
Fondo y deriva de una señal
Se define como fondo de una señal a la medida instrumental realizada en ausencia de analito. Esta medida no es siempre estable, sino que puede variar a corto plazo (por ejemplo, la deriva que aparece en una sesión de trabajo debido a que el equipo se va calentando) o variar en el transcurso de meses (debido al desgaste de piezas)
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Análisis Instrumental Introducción al Análisis Instrumental
Pueden aparecer errores cuando cierta parte de la señal atribuida al analito se debe al fondo, confundiendo al observador. Es preciso realizar una corrección del fondo, midiendo la señal de un blanco de la muestra y restándola a la del analito en la misma. Debido a la presencia de deriva, el fondo puede aumentar o disminuir en el tiempo, por lo tanto, es conveniente medir varios blancos durante el análisis.
Si comparamos las señales de dos disoluciones de la misma concentración de analito, una acuosa y otra de una composición determinada y distinta a la anterior, se debe corregir el fondo para cada caso. El fondo de la muestra depende de la composición de la matriz de la misma (el medio en que se encuentra: el disolvente, especies en disolución...). No se debe confundir la matriz de una muestra con la presencia de interferencias (sustancias, de concentración variable, que dan una señal similar al analito)
Cuando el fondo es de una magnitud muy elevada (respecto a la señal del analito) es imposible corregirlo. Debido a las fluctuaciones de la señal del fondo puede llevar incluso a valores negativos de señal neta de analito.
Fondo y deriva de una señal
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Análisis Instrumental Introducción al Análisis Instrumental
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Calibración
Análisis Instrumental Introducción al Análisis Instrumental
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Calibración
Que el alumno:
- Conozca la importancia de la calibración.
- Conozca los tipos de calibración.
- Conozca y aplique las ecuaciones para calcular los parámetros de calibración.
Objetivo:
Los métodos clásicos son métodos absolutos cuando la cuantificación se basa en la comparación con patrones básicos (ej. la gravimetría, se compara con el kg) o pueden ser métodos estequiométricos (ej. La volumetría, existe una relación estequiométrica entre el analito y un agente valorante)
Los métodos instrumentales son métodos relativos pues se compara la señal del analito en la muestra con la señal obtenida con varios de dicho analito.
Análisis Instrumental Introducción al Análisis InstrumentalCalibración
Cuantificación
Muestra Pesa certificada
Kg patrón
Gravimetría
a baA bB A B
Valoración
Valorante B
Analito A Muestra
Instrumento
Patrones
Análisis Instrumental
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Análisis Instrumental Introducción al Análisis InstrumentalCalibración
Calibrado
Es el proceso mediante el que se obtiene una relación matemática (función analítica) entre la señal del analito y su concentración mediante la comparación con uno o más patrones. Si se trabaja en disolución, se entiende por patrón a una disolución de analito de concentración perfectamente conocida. Utilizando esta función analítica se puede calcular la concentración de analito en la muestra a partir de la señal medida. La expresión de esta función analítica se corresponde con la ecuación de una curva (curva de calibrado)
Siempre que sea posible se busca que la relación entre la señal analítica y la concentración del analito en los patrones sea lineal. Por eso hablamos de recta de calibrado.
Tipos de calibrado- Calibrado externo- Calibrado por adición patrón- Calibrado con patrón interno
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Análisis Instrumental Introducción al Análisis InstrumentalCalibración
Calibrado externo
Se lleva a cabo la comparación de señal de analito en la muestra con las obtenidas al medir una serie de patrones. Se representa la señal de los patrones frente a su concentración. La ecuación de la recta se calcula mediante el método de mínimos cuadrados
La señal de la muestra (Y0) se interpola en la recta de calibrado para obtener su concentración
Matemáticamente se resuelve sustituyendo Y0 en la ecuación de la recta y despejando el valor de concentración
0 0 /CE CE
CE CE
Y b X a
C Y a b
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Análisis Instrumental Introducción al Análisis InstrumentalCalibración
Adición patrón
Se realiza añadiendo cantidades crecientes y conocidas de analito a distintas porciones de muestra para construir la curva de calibrado (se debe incluir la muestra sin adición)
La concentración de la muestra se obtiene como el punto de corte de la prolongación de la recta en el eje de abscisas.Matemáticamente se iguala la señal a cero y se despeja la concentración (cambiando de signo)
0
00 0
;
0 ,
AP AP AP
AP AP
AP AP AP
Y b X a Y a
a Y aY X X X
b b b
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Análisis Instrumental Introducción al Análisis InstrumentalCalibración
¿Como comprobar si existe efecto matriz?
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Análisis Instrumental Introducción al Análisis Instrumental
Patrón interno
Patrón interno
Analito
El patrón interno es una sustancia que debe ser lo más similar posible al analito pero no debe aparecer originalmente en la muestra, se añade por el observador. Su señal se debe medir de forma independiente a la del analitoSe preparan patrones del analito añadiendo una cantidad constante y conocida de patrón interno, que también se añade a la muestraSe representa el cociente de la señal
de analito entre la del patrón interno frente a la concentración de analito o el cociente de concentraciones de analito y patrón internoA partir de la relación de señales en la muestra se obtiene la concentración de analito (o la relación de concentraciones) por interpolación
Calibración
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Análisis Instrumental Introducción al Análisis Instrumental
Se corrigen errores aleatorios de elevada magnitud, debidos a la preparación de la muestra, introducción de la muestra en el sistema de medida, etc
Patrón interno
Calibración
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Análisis Instrumental Introducción al Análisis Instrumental
y bx a
2
n
i ii
n
ii
x x y yb
x x
a y bx
/
2( )
y xb n
ii
ss
x x
2
/2
n
ii
a y x n
ii
xs s
x x
Pendiente Ordenada
CalibraciónRecordatorio: método mínimos cuadrados
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i
i i
Xi X Yi Yr
Xi X Yi Y
Coeficiente de correlación
y = 0.0536x - 0.0173R2 = 0.9996
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0 20 40 60
[ppm]
A/A
PI
AMN
ProblemaEn una investigación sobre seguridad alimentaria, se determinaron 4 adulterantes en alimentos mediante HPLC-UV.Con los datos de áreas de la Amelina (AMN) y de patrón interno (RSC):
1.- Obtenga las áreas relativas para hacer una curva de calibración
2.- Calcule la ecuación de la curva
3.- Calcule el r
Áreas
PPM AMN RSC
0.65 34083.7 1046753.0
10 556637.1 1091952.9
20 1065802.2 1035328.8
30 2190532.0 1356624.6
40 3727787.7 1765675.9
50 5233160.1 1959973.2
PPM AMN/RSC
0.65 0.03
10 0.51
20 1.03
30 1.61
40 2.11
50 2.67
25.11 1.33
2.- Calcule la ecuación de la curva
2
n
i ii
n
ii
x x y yb
x x
Media
y bx a
ix x
0.65 - 25.11 -24.46
10 - 25.11 -15.11
20 - 25.11 -5.11
30 - 25.11 4.89
40 - 25.11 14.89
50 - 25.11 24.89
0.03 – 1.33 -1.30
0.51 – 1.33
1.03 – 1.33
1.61 – 1.33
2.11 – 1.33
2.67 – 1.33
iy y
i ix x y y -24.46 * -1.30 31.68
Suma 92.04
2
n
i ii
n
ii
x x y yb
x x
2ix x
0.65 - 25.11 -24.46 598.21
10 - 25.11
20 - 25.11
30 - 25.11
40 - 25.11
50 - 25.11
Suma 1718
ix x ix x
b = 92.04/1718= 0.0536
a y bx a = -0.017
2
n
i ii
n
ii
x x y yb
x x
3.- Calcule el coeficiente de regresión lineal
ix x
0.65 - 25.11 -24.46
10 - 25.11
20 - 25.11
30 - 25.11
40 - 25.11
50 - 25.11
0.03 – 1.33 -1.30
0.51 – 1.33
1.03 – 1.33
1.61 – 1.33
2.11 – 1.33
2.67 – 1.33
iy y
i ix x y y -24.46 * -1.30 31.68
Suma 92.04
i
2 2
i i
Xi X Yi Yr
Xi X Yi Y
2ix x
0.65 - 25.11
-24.46 598.21
10 - 25.11
20 - 25.11
30 - 25.11
40 - 25.11
50 - 25.11
Suma 1718
ix x ix x
i
2 2
i i
Xi X Yi Yr
Xi X Yi Y
0.03 – 1.33 -1.30 1.68
0.51 – 1.33
1.03 – 1.33
1.61 – 1.33
2.11 – 1.33
2.67 – 1.33
Suma 4.93
iy y iy y 2
Yi Y
i
2 2
i i
Xi X Yi Yr
Xi X Yi Y
(1718 * 4.93) ^ 1/2 92.03
92.04
r= 0.9997
y = 0.0536x - 0.0173R2 = 0.9996
0
0.5
1
1.5
2
2.5
3
0 20 40 60
[ppm]
A/A
PI
AMN
Investigar como se calculan los:
LÍMITES DE DETECCIÓN
LÍMITES DE CUANTIFICACIÓN