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Tema 2.- Fundamento físico-químico del Análisis instrumental basado en técnicas espectroscópicas

Interacción de la radiación electromagnética con entidades atómicas y moleculares de interés analítico: Espectros.-

Configuraciones instrumentales. Componentes básicos y diseños instrumentales para el estudio de especies químicas.-

Características de uso de los instrumentos

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Espectroscopia de átomos y moléculas

MATERIAÁtomos

MoléculasEspecies

REMFotones

TÉCNICAS ESPECTROSCÓPICAS

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Espectroscopia de átomos y moléculas

A finales del siglo XIX

Estudio de radiaciones absorbidas o emitidas por átomos y moléculas:

configuraciones electrónicas de los átomosenlaces interacciones en dispositivos de medida

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Los métodos espectroscópicos se clasifican de acuerdo con la región del espectro electromagnético que utilizan.

Estas regiones incluyen R-X, UV, VIS, IR, MO, RF.

Los primeros métodos espectroscópicos se restringían al empleo de la radiación visible, por ello se denominaron MÉTODOS ÓPTICOS.

Debido a la similitud del instrumental utilizado, el término de MÉTODOS ÓPTICOS se emplea también para aquellos que emplean la radiación UV e IR a pesar de que estas no son perceptibles por el ojo humano.

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PROPIEDADES DE LA REMLa REM es una forma de energía que se transmite por el espacio (sin soporte de materia) a velocidades muy altas. Posee una doble naturaleza:

OndulatoriaCorpuscular“fotones”complementarios•Difracción

•Refracción•Reflexión•Dispersión

•Emisión•Absorción•Efecto fotoeléctrico

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Interacción de la radiación electromagnética con átomos y moléculas: Espectros

Energía de la REE= hνv (frecuencia de la onda) = c/λ

Un átomo o molécula puede: Girarvibrar

en el caso de las moléculasmodificar E de sus e-

s externosmodificar E de sus e-

s internosalterar E de su núcleo

El tipo de interacción dependeCaracterísticas intrínsecas de la entidad

ET = Enucleo + Eelectrones internos + Eelectrones externos + Evibración + Erotación

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Energía de las radiaciones y longitud de onda

Microondas (λ entre 10-5 y 10-2 m) poca energía rotación o vibración de las moléculas

Radiación infrarroja (IR) (λ entre 10-6 y 10-3 m) cambios en los niveles vibracionales:

cambio en la posición relativa de los átomos en una molécula

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Energía de las radiaciones y longitud de onda

Radiación visible (λ 1 x10-6 y 0,3 x10-6 m; entre 1 µm y 300 nm)e-

s externos (de valencia) de los átomos y moléculas

Radiación ultravioleta (UV) (λ = 300 nm y 200 nm; UV cercano)e-

s externos de átomos y moléculas

Rayos X (λ entre 100 Å y 1 Å; 1 Å = 10-10 m) gran energía y poder penetrante e-

s de las capas internas de los átomos.

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RADIACIÓN UV-V

ULTRAVIOLETA LEJANO10 - 200 nm

ULTRAVIOLETA PRÓXIMO200 - 400 nm

VISIBLE400 - 800 nm

EXCITACIÓN ELECTRÓNICA

Rγ RFMOIRVUVRXRγ RFMOIRVUVRX

10-12 10-11 10-8 10-6 10-3 10-1

R. Cósmicos

λ(m)

Púrpura

Rojo

Naranja

Am

arilloVerde

Azul

Violeta

800

700

600

500

400

λ(nm

)

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Interacciones y zonas espectrales

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Energía de la radiación y tipo de interacciónA menor E mayor selectividad en la interacción

MOLÉCULASinteracciones electrónicas

EnlacesVibracionales

modificación de la posición relativa de los átomos en la molécularotacionales

rotación de la molécula

ÁTOMOSinteracciones electrónicasel átomo individual no vibra respecto a otros su rotación implica una energía baja

no puede medirse experimentalmente

Todo ello determina: Características de los espectrosConfiguraciones instrumentales en espectroscopia analítica

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Absorción y emisión molecular

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Absorción y emisión molecularLos electrones en estos sistemas tienen los espines apareados

se denomina singuletecuando se somete a un campo magnético:

no se observa desdoblamiento de energía

Si se trata de un radical libre, con un electrón no apareadoestado dobletecuando se somete a un campo magnético:

el electrón impar puede tomar dos orientaciones

Cuando un electrón de una molécula es excitado a un nivel de energía superior

se forman un estado singulete o tripleteEstado singulete excitado

el espín del electrón promocionado continúa apareado con el electrón del nivel fundamental

Estado triplete excitadolos espines de los dos electrones están desapareados (en paralelo)

El estado triplete excitado es menos energético que el estado singulete

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Absorción y emisión molecularEstado triplete excitado

La molécula es paramagnética

Estado singulete excitadoLa molécula es diamagnética

La probabilidad de una transición singulete/triplete o a inversa es mucho menor que la singulete/singulete

Tiempo de vida medio de un estado triplete excitado entre 10-4 a varios segundos

Probabilidad bajaPicos de absorción de varios órdenes de magnitud menos que en

singulete excitado

Tiempo de vida medio del estado singulete excitado10-8 a 10-5 s

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Absorción y emisión molecular

Modos de emisión (desactivación del estado excitado):

Pérdida de E electromagnética o radiante desde el nivel singuleteexcitado (S1) al estado singulete fundamental (S0)

Fluorescencia.

En determinadas moléculas, un estado triplete excitado se cruza con un singulete excitado. El estado triplete se pobla de electrones del singulete excitado. La transición triplete-singulete está prohibida (tarda mucho)

Fosforescencia

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Excitación y desexcitación

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Fluorescencia y fosforescencia

+ h νS1

S0

+ h νT1

S0

Fluorescencia ⇒ transición de S1 a S0

Fosforescencia ⇒ transición de T1 a S0

Sin cambio en multiplicidad de spin

Vida media de la fluorescencia: 10-9 – 10-5 seg

Cambio en multiplicidad de spin

Vida media de la fosforescencia: 1 mseg a varios seg

Longitud de onda mayor que la de la fluorescencia

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Aspectos cinéticos en la absorción y emisión molecular

La velocidad de abs. de un fotón por una molécula:es muy elevadade 10-15 a 10-14 s

En emisión molecular (fluorescencia):mucho más lentos.

Tiempo de vida de la molécula excitada inversamente relacionado con la probabilidad que se produzca la absorción de los fotones y por tanto con la absortividad molar (ε)

Las ε:suelen estar entre 103 y 105

Corresponde un tpo. excitación de 10-7 a 10-9 s, respectivam.

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Aspectos cinéticos en la absorción y emisión molecular

Sistemas débilmente absorbentesProbabilidad del proceso de transición es más pequeñaLos tiempos de vida pueden relativamente grandes, de 10-6 a 10-5 s

En las transiciones triplete-singulete la velocidad promedio es aún menor

La emisión fosforescente precisa tiempos entre 10-4 y 10 s, o mayores

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Procesos de relajación molecular

Pueden combinarse de varias etapas de desactivación

Dos de estas etapas conllevan a la emisión de un fotónFluorescenciaFosforescenciaLa molécula debe tener características estructurales determinadas

El resto procesos no radiantes

Todas estas etapas compiten entre sí

La selección dependecinética más favorable en la población de electrones que se estádesactivando

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Procesos de relajación molecular

Otros procesos luminiscentes

están aún más limitados gran selectividad

QuimioluminiscenciaEmisión por una reacción química

TriboluminiscenciaEmisión de luz por la acción mecánica

BioluminiscenciaEmisión de luz por un sistema vivoEjemplo ATP-bioluminescencia

higiene en alimentosSe detecta el ATP microbianoUsa luciérnagas

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Procesos de desactivación molecularRELAJACIÓN VIBRACIONAL:

En disolución la E se pierde rápidamente por colisiones moleculares

Tiempo de vida10-12 s

De S1 S0siempre desde el nivel más bajo de S1

De S2 S1siempre desde el nivel más bajo de S2

El e- puede volver a cualquier nivel de S0

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Procesos de desactivación molecularCONVERSIÓN INTERNA: el e- se desactiva desde un nivel electrónico más elevado a un nivel vibracional superior de un estado electrónico más bajo

Proceso intermolecular sin emisión E

Cuando hay solapamiento en los niveles de energía

dos niveles de energía muy próximosNivel bajo de S2 y alto de S1

Sin emisión de radiación

Cinéticamente más favorableque fluorescencia son

la relajación vibracionalconversión interna

La fluorescencia sólo tiene lugar a λ3independientemente de que las radiaciones λ1 y λ2 sean las responsables de la excitación

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Procesos de desactivación molecular

CONVERSIÓN INTERNA:

Hidrocarburos alifáticoslos niveles del estado fundamental se solapan con niveles del primer estado electrónico excitadoFluorescencia cinéticamente desfavorable

PredisociaciónSe produce conversión internaSe rompe un enlace

En la disociación se rompe enlace por la excitación sin que exista conversión interna

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Procesos de desactivación molecularCONVERSIÓN EXTERNA o amortiguación colisional

Transferencia de E entre la molécula excitada y el disolvente u otros solutos

FluorescenciaLa radiación emitida siempre tiene mayor λ (menor frecuencia)que la de excitaciónSiempre: Absorción conversión transición desde el nivel más bajo del estado excitado al estado fundamental

En fluorescencia influyeDisolventeFavorecida por:

baja temperaturaelevada viscosidad

Evitan la conversión externa

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Procesos de desactivación molecularCRUZAMIENTO DE SISTEMAS

Se invierte el espín de un e-

excitado originándose un cambio de la multiplicidad molecular

La probabilidad aumenta si los niveles vibracionales de los dos estados solapan

Favorecida por la presencia en molécula:

De átomos pesadosyodo y el bromo efecto del átomo pesado

De especies paramagnéticas en disolución, como el oxígeno molecular

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Procesos de desactivación molecularFOSFORESCENCIA

Tras cruce de sistemas hasta legar al estado triplete excitado, la desactivación puede ocurrir por:

conversión interna externa fosforescencia

triplete → singuletemucho tiempomenos probable que singulete/singuletela emisión puede persistir durante algún tiempo después de que la irradiación se haya interrumpido

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Espectros del fenantreno

E: espectro de excitación o absorción

F: Fluorescencia (mayor λ)

P: Fosforescencia (mayor λ pq triplete tiene menos E)

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Diagrama de Jablonski

Fluorescencia Fosforescencia

Cruzamientoentre sistemas

T1

S0

S1Conversión

interna

Absorción

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Absorción y emisión atómicaORBITALES p

Se desdoblan

Niveles de diferente EUn electrón gira en su propio eje y la dirección del movimiento:

la misma del movimiento orbitalRepulsión orbital p de menor E

opuesta al movimiento orbitalAtracción

ORBITALES d y f interacciones similares, pero tan débiles que resultan inapreciables

El desdoblamiento de p, d y f se produce de manera análoga en los átomos que poseen un solo electrón externo

Caso de Na (a) y Mg+ (b)

Los 3p del Mg+ tienen doble E que Para Na debido a la mayor carga nuclear el 1º

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Espectros de emisión y absorción atómica

AbsorciónEn medio gaseoso a elevada T, absorben REM de λ característica de las transiciones electrónicas del estado 3s a estados de excitación más elevados

Espectros formados principalmente por líneas de resonancia

Del nivel fundamental a uno de mayor E

Transiciones prohibidas:

•de 5s o 4s a 3s

•de p a d

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Espectros de emisión y absorción atómica

A T ambientetodos los átomos en estado fundamental

El único electrón más externo de un átomo de Na es el 3s

EmisiónExcitación de ese e- por

el calor de una llama, un plasma, una chispa, un arco eléctrico, etc

El tiempo de vida excitado es breve, y vuelve al estado fundamental emitiendo un fotón

Líneas 5890 y 5896 A son las más intensas, líneas amarillas del sodio en una llama

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Espectros de fluorescencia atómicaA veces cuando se irradian con una fuente intensa fluorescencia atómica

Se detecta en un ángulo de 90º con respecto a la trayectoria de la luz

Espectros del Mg

Átomos de Mg irradiados con una fuente UV absorbe la radiación de 2852 A (tránsito del nivel 3s al 3p)

Transiciones de estado excitado al nivel fundamental (resonancia)

La fluorescencia de resonancia emitida a esa misma longitud de onda se usa con fines analíticos

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Espectros de fluorescencia atómica

Átomos de sodio

Absorben a 3303 A (3s 4p)Transición no radiante a los niveles 3p muy rápidaFluorescencia del nivel 3p al fundamental (5890 y 5896 A)

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Espectros de fluorescencia atómica

Parte de los átomos de Tl, excitados en una llama, vuelven al estado fundamental en dos etapas:

una es fluorescente produciendo una línea a 5.350 A

a continuación se produce rápidamente una desactivación no radiante hacia el estado fundamental

También se observa fluorescencia de resonancia a 3.776 A

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Configuraciones instrumentalesFuentes de radiación

Debe generar un haz de radiación con potencia suficiente para que se detecte y se mida con facilidad

Su potencia de salida debe ser estable durante periodos de tiempo razonables

Fuentes de potencia reguladaDiseños de doble haz

la relación de la señal de la muestra respecto a la de la fuente en ausencia de muestra sirve como parámetro analítico

TIPOS:Fuentes continuas

emiten radiación cuya intensidad varía solo de forma gradual en función de la longitud de onda

Fuentes de líneasemiten un número limitado de líneas o bandas de radiación, cada una de las cuales abarca un intervalo limitado de longitudes de onda

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Fuentes de radiación

FUENTES CONTINUAS

En espectroscopia de absorción y de fluorescencia

Para la región ultravioleta: lámpara de deuterioSi se precisa una fuente particularmente intensa

lámparas de arco rellenas de un gas, argón, xenón o mercurio, a alta presión

Región visible del espectrolámpara de filamento de wolframio

Las fuentes de infrarrojosólidos inertes calentados a 1.500-2.000 Kla máxima emisión radiante se produce entre 1,5 y 1,9 µm

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Fuentes de radiación

FUENTES DE LÍNEASSe usan frecuentemente en:

espectroscopia de absorción atómicaespectroscopia de fluorescencia atómica y molecular espectroscopia Ramanrefractometria y la polarimetria

Lámparas de vapor de mercurio y de sodioproporcionan relativamente pocas líneas agudas en la región ultravioleta y visible

Lámparas de cátodo hueco Absorción atómica

Las lámparas de descarga sin electrodos Fluorescencia

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Fuentes de radiación

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Selección de la longitud de onda

Se requiere una radiación constituida por un grupo limitado, estrecho y continuo de longitudes de onda denominado banda

La banda debe ser estrechaaumenta la sensibilidad de las medidas de absorbancia puede proporcionar una mayor selectividad con frecuencia es un requisito necesario para obtener una relación lineal entre la señal óptica y la concentración

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Selección de la longitud de onda

No existe ningún sistema de selección de la longitud de onda que de una sola λ

La anchura de banda efectiva, es una medida inversa de la calidad del dispositivola resolución es mejor cuanto más estrecha es la anchura de banda

selectores de longitud de ondaFiltrosmonocromadores

Se representa el % de radiación incidente transmitida por el selector a una

determinada λ

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Filtros

Tiposfiltros de interferencia

operan en la región ultravioleta, visible y buena parte del infrarrojo

filtros de absorciónse limitan a la región visible del espectro

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Filtros de interferenciase fundamentan en las interferencias ópticas para producir bandas estrechas de radiación

Consta de: un dieléctrico transparente

con frecuencia fluoruro de calcio o de magnesioEl espesor de la capa dieléctrica determina la λ

dos películas metálicas semitransparentes

dos placas de vidrio u otro material transparente

Parte del haz de luz atraviesa ambas películas y otra se refleja (sufre una interferencia destructiva)

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Filtros de interferencia

Características de transmisión de los filtros de interferencia

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Filtros de absorciónSon más baratos que los filtros de interferencia

Se han utilizado mucho para la selección de bandas en la región visible

Absorben ciertas zonas del espectro

Tipos más habituales: un vidrio coloreado una suspensión de un colorante en gelatina que se coloca entre dos placas de vidrio

Los filtros de absorción tienen anchuras de banda efectivas que oscilan entre 30 y 250 nm

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MonocromadoresPermiten hacer barrido espectral

variar, de forma continua y en un amplio intervalo, la λ de la radiación

Los monocromadores para las radiaciones ultravioleta, visible e infrarroja son similares

Todos ellos utilizan Rendijas

proporciona una imagen óptica rectangularLentes o Espejos

produce un haz paralelo de radiaciónredes o prismas

dispersa la radiación en sus longitudes de onda individualeselemento localizador

forma de nuevo la imagen de la rendija de entrada y la enfoca en una superficie plana denominada plano focal

una rendija de salida en el plano focal aísla la banda espectral deseada

Ventanas de entrada y de salidapara proteger a los componentes del polvo y de los vapores corrosivos del laboratorio

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Monocromadores

Dos tipos:redes de dispersiónprismas

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Monocromadores

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Rendijas del monocromador

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Rendijas y anchura de bandaLas rendijas de un monocromador juegan un importante papel para determinar sus características de funcionamiento y calidad

La anchura de banda se define como el tramo de ajuste del monocromador (en unidades de longitud de onda) necesario para sustituir una imagen de la rendija de entrada (correspondiente auna determinada longitud de onda) por otra

La anchura de banda efectiva, es la mitad de la anchura de banda cuando las dos anchuras de rendija son iguales. Se define como la longitud del plano focal ocupada por una determinada longitud deonda (la imagen de la rendija de entrada a través de la rendija de salida).

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Rendijas y anchura de banda

La medida cuantitativa de bandas de absorción estrechas requiere el uso de anchuras de rendija estrechas

Sin embargo la disminución de la anchura de rendija presenta el inconveniente de causar una reducción exponencial de la energía radiante.

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Rendijas y anchura de bandaA la concentración c:

el pico abarca el 30% de TEl valor medio de la potencia transmitida es entonces el 35% de T ([100% - 30%]/2), que corresponde a 0,187 unidades de absorbancia

A 2cEl valor medio de la potencia transmitida es 45,5%, que corresponde a 0,263 unidades de absorbanciaPero, cuando la absorbancia para la concentración c es 0,187, se espera (según la ley de Beer) que la solución 2c tenga el doble de absorbancia 0,374 (= 2 x 0,187), y no 0,263

Con una longitud de banda espectral suficientemente estrecha, encontraremos que para cada longitud de onda la intensidad versus la longitud de onda sigue la ley de Beer.

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Anchura de las líneas en espectroscopía de absorción o emisión atómica

Se produce ensanchamiento por:

Ensanchamiento naturalSe produce como consecuencia del Principio de Incertidumbre de Heisenbergel tiempo de vida de un electrón en un estado excitado es limitado

Efecto DopplerLa frecuencia aumenta en a y disminuye en b

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Anchura de las líneas en espectroscopía de absorción o emisión atómica

Ensanchamiento de presión

Es el resultado de las colisiones entre las especies queabsorben o emiten con otros átomos o iones presentes en elmedio (ensanchamiento Lorentz) o incluso con átomos delmismo elemento (ensanchamiento Holtsmark).

Efectos producidos por campos eléctricos y magnéticos

La presencia de campos eléctricos (efecto Stark) omagnéticos (efecto Zeeman) origina ciertas perturbaciones en laslíneas de absorción o emisión

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Detectores: fototubos

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Fototubo

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Espectroscopía de absorción molecular

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Espectroscopía de emisión molecular

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Espectrofluorímetro y fosforímetro

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Configuración instrumental para AAS

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Espectrocopia de absorción y emisión molecularCompartimento de muestras

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Espectroscopía de absorción atómica.Compartimento de muestras

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Espectroscopía de emisión atómica.