Métodos espectroscópicos de análisis

ANÁLISIS INSTRUMENTALUAGRMUAGRM

MÉTODOS ESPECTROSCÓPICOS MÉTODOS ESPECTROSCÓPICOS DE ANÁLISISDE ANÁLISIS


El proceso analítico generalEl proceso analítico general

27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D 2

MUESTRA

RESULTADOS

Medición de la Medición de la propiedadpropiedadanalíticaanalítica

Adquisición yAdquisición ytratamiento de tratamiento de datos datos

OperacionesOperacionespreviasprevias

ETAPAS BÁSICASETAPAS BÁSICAS DELDELPROCESO ANALÍTICOPROCESO ANALÍTICO




Análisis : proceso que proporciona información física o química acerca de los componentes de una muestra o de la propia muestra

Analitos : Componentes que interesan de una muestra.

Matriz: Todos los componentes de una muestra que no son analitos

Determinación : Análisis de una muestra para identificar la identidad, concentración o propiedades del analito.

Medida : Determinación experimental de las propiedades químicas o físicas de una analito

Análisis, determinación y medida



Técnica : Principio físico o químico que puede emplearse para analizar una muestra.

Método : Medio para analizar una muestra a fin de hallar un analito dado en una matriz específica

Procedimiento : Instrucciones escritas que señalan la forma de analizar una muestra.

Protocolo: conjunto de instrucciones escritas especificadas por un organismo para analizar una muestra

Técnicas, métodos, procedimientos y protocolos



Clasificación de los métodos analíticosClasificación de los métodos analíticos


Los métodos analíticos producen información químicaLos métodos analíticos producen información química

INFORMACION ANALITICA: Declaración relacionada con cualquier propiedadpropiedad química, física, o biológica denominada propiedad analíticapropiedad analítica, producida en conexión con la información químicainformación química del material analizado



Punto de vista históricométodos clásicos e instrumentales



Métodos clásicosMétodos clásicos

Métodos instrumentales

Gravimetría

Volumetría

Espectroscópicos

Térmicos

Electrométricos

Separación


27/03/13 7Luis Adolfo Mercado R., Ph.D


Elección de un método analíticoElección de un método analítico

1. ¿Qué exactitud se requiere?

2. ¿Cuántas muestras se tiene?

3. ¿Cuál es el intervalo de concentración del analito?

4. ¿Qué componentes de la muestra podrían causar interferencia?

5. ¿Cuáles son las propiedades físicas y químicas de la matriz de la muestra?

6. ¿Cuántas muestras se analizarán?



Calibración de métodos instrumentalesCalibración de métodos instrumentales

• Comparación con estándares• Calibración de un estándar externo• Métodos de adición estándar• Método del patrón interno



Conceptos básicos de Conceptos básicos de espectroscopíaespectroscopía


1. La luz y el espectro electromagnético


• Onda Electromagnética• Radiación electromagnética• Energía de radiación • Espectro electromagnético• Unidades



E

M

Onda electromagnéticaOnda electromagnética



Energía de la Radiación

λ

A

E = hCλνE = h


frecuencia

Longitud de onda

velocidad

h= = 6,6262 . 10 -34 joule . segundo , es la constante de Planck.Energía

asociada a un fotón

Número de onda


CARACTERÍSTICAS DE LAS ONDAS CARACTERÍSTICAS DE LAS ONDAS

nodo



Unidades :Unidades :


Amgstrom : Aº = 10 m

Nanómetro : nm = 10 m

-10

- 9

Micrómetro : µ m = 10 m- 6

cm - 1

Número de onda, ν:

= 10 cm- 4


Problemas

• Calcular la energía y la frecuencia de la luz con la longitud de onda de

• Cuál es la frecuencia de la luz verde con una longitud de onda de 500 nm

2.0 x 105 cm


Espectro electromagnéticoEspectro electromagnético

Longitud de Onda

Energía

Rayos XMicro-ondas

Ondas deradioRayos γ

0.02-300cm0.01-0.1Å 3-300m1-10Å



Longitud de Onda

Energía

Ultravioleta Visible InfrarrojoVacio

ultravioleta

200-380nm 385-750nm 10-2000Å 0.75-200µm



http://www.chem.vt.edu/chem-ed/light/graphics/em-visib.jpg


Longitud de Onda

Energía

Infrarrojo

0.75-200µm

IRC : 0.75 – 2.5 µm (13333-4000 cm-1)

IRM : 2.5 – 50 µm (4000-200 cm-1)

IRL : 50 – 1000 µm (200-10 cm-1)






2. Interacción de la radiación con la materia


Cuando un haz de luz incide sobre un medio puede ser transmitido

(refractado), reflejado, difundido (sobre una superficie rugosa o por

pequeñas partículas), absorbido o puede provocar la emisión de luz

(normalmente en una frecuencia distinta). El color y el brillo son algunas de

las sensaciones que resultan de estos fenómenos en el rango de

frecuencias del espectro visible, pero existe instrumentación para

estudiarlos en un amplio margen del espectro electromagnético


Interacción de la radiación con la materiaInteracción de la radiación con la materia


Refracción y reflexiónRefracción y reflexión

Cuando un haz luminoso llega a la

superficie que separa dos medios

distintos, parte del mismo es reflejado

hacia el medio de procedencia, y parte

refractado hacia el otro medio. Si la

superficie que separa ambos medios es

completamente plana y sin rugosidades,

los fenómenos tienen lugar siguiendo la

geometría prevista en las leyes de

Descartes




DifusiónDifusión

Este proceso tiene lugar debido a la

presencia de partículas en suspensión en un

medio transparente (el caso del

humo de un cigarrillo, por ej), o por

vibraciones de las moléculas que forman el

propio medio, en cuyo caso la

intensidad de la radiación difundida depende

de las interacciones de estas moléculas

entre ellas, y por tanto el fenómeno suele ser

de mayor intensidad en gases que en sólidos




AbsorciónAbsorción

La absorción de las ondas electromagnéticas requiere considerar que los

electrones ocupan orbitales con niveles discretos de energía, separados

entre ellos por cantidades discretas de energía.

Cuando un medio es alcanzado por una onda electromagnética formada por

radiaciones de diversas energías, alguna de ellas puede coincidir con la de

uno de los saltos energéticos posibles entre un nivel completamente

ocupado por electrones y uno vacío o parcialmente ocupado, entonces un

electrón es excitado al nivel energético superior y la energía de la frecuencia

correspondiente, absorbida




EmisiónEmisión

La emisión de luz por parte de un medio puede ocurrir si cierta energía es

absorbida por los electrones de los átomos del medio considerado, de modo

que algunos de éstos son promovidos a niveles superiores y dejan un hueco

en su posición original. En estas condiciones la configuración del átomo es

inestable y electrones de niveles energéticos superiores pasan a

ocupar el hueco, liberando parte de su energía en forma de radiación

electromagnética de la energía correspondiente al salto efectuado





Métodos espectrales Métodos no espectrales

Moleculares Atómicos TurbidimetriaNefelometria

RefractometriaPolarimetria

Absorción UV-visIR

Fluorescencia Fosforescencia

Absorción atómicaEmisión atómicaRayos X (A,E)

Clasificación básica de los métodos ópticos



Absorción de la Radiación

Emisión de la Radiación

Refracción de la Radiación

Rotación de la Radiación

Dispersión de la Radiación

Espectrofotometría UV-visEspectrofotometría IREspectrofotometría RX

Emisión atómicaFotometria de llama

Fluorescencia

Refractometría

Polarimetría

Turbidimetría Nefelometría

Clasificación básica del los métodos ópticos en función al tipo de interacción radiación- materia




3. Origen de los espectros moleculares



Origen de los espectros molecularesOrigen de los espectros moleculares

Las moléculas de una sustancia poseen una energía relativa dadaenergía relativa dada, esto es,

pueden existir sólo en niveles de energía fijosniveles de energía fijos. Ello se debe a una serie de

factores, de los cuales son de nuestro interés los siguientes:

1) Energía debida a los niveles electrónicos.1) Energía debida a los niveles electrónicos.

2) Energía debida a vibraciones entre los átomos que la componen.2) Energía debida a vibraciones entre los átomos que la componen.

3) Energía debida a rotación molecular.3) Energía debida a rotación molecular.

Un espectro de absorción es el resultado de que un átomo o molécula se

excita a un nivel de energía superior mediante la absorción de un cuanto de

energía.


Excitación : Excitación :

-hν1

E

Eo

E1

q +hν2∆ E

∆ E = E1 Eo


ANÁLISIS INSTRUMENTALUAGRMUAGRMen

erg

ía

transiciones energéticas

estadoelectrónico

uvvisible

estadovibracional

IR

estadorotacional

IRM

E4

E1

E2

E3

E = h ν h cλ=

ν4

ν1

ν2

ν3

λ1

λ2

λ4

λ3

27/03/13 Luis Adolfo Mercado R., Ph.D32



transiciones energéticas




3. Clasificación de los métodos espectroscópicos de análisis


RadiaciónRadiación EfectoEfecto

Rayos X y cósmicos Ionización de moléculas

UV-visible Transiciones electrónicas entre los OA y OM

Infrarrojo Deformación de los enlaces químicos

microondas Rotaciones de los enlaces químicos

radiofrecuencias Transiciones de spín electrónico o nuclear en los átomos de la

molécula

Métodos espectroscópicos de análisisMétodos espectroscópicos de análisis



TÉCNICA TÉCNICA ESPECTROSCÓPICA ESPECTROSCÓPICA

INFORMACIÓN OBTENIDA INFORMACIÓN OBTENIDA

Rayos X Estructura total de la molécula incluida la estereoquímica de la misma a partir de las posiciones relativas de los átomos.

Ultravioleta-Visible Existencia de cromóforos y/o conjugación en la molécula a partir de las absorciones observadas.

Infrarrojo Grupos funcionales a partir de las absorciones observadas.

Espectrometría de masas (*)

Fórmula molecular y subestructuras a partir de los iones observados.

Resonancia magnética nuclear

Grupos funcionales, subestructuras, conectividades, estereoquímica, etc. a partir de datos de desplazamiento químico, áreas de los picos y constantes de acoplamiento observadas

(*) No es una técnica espectroscópica en el sentido que estamos viendo pues no existe irradiación electromagnética de la sustancia y no se produce absorción de dicha radiación.





3. Leyes de la espectroscopía


Leyes de la FotometríaLeyes de la Fotometría

Primera Ley de Lambert :

Po Pt

h

Pt = k Po

T = Pt / Po

Espectroscopía basada en absorciónEspectroscopía basada en absorción



Segunda Ley de Lambert :

Pt = Po e

C = cte.

- k1h

Pt = Po e - K c

2

Ley de Beer :Ley de Beer :

h = cte.





Ley de Lambert - Beer:Ley de Lambert - Beer:

Pt = Po e - K c h

A = log PoPt

log PtPo

= K c h

A = K c h

o





AT,λ = logP0

P= ε h c

absorbancia total medida a la

longitud de onda λ

concentración molar de las

especies absorbentes

absortividad

camino óptico

potencia del haz luego de

atravesar la muestra

potencia del haz antes de

atravesar el blanco

P

P0

= Transmitancia (T) A = -logT




A = K c h

A = a c h

A = e c h

A = E c h1% cm

A = 2 - log (% T)

C en g/L h en cm

C en mol/L h en cm

C en g/% h en cm


Ley de Lambert - Beer:Ley de Lambert - Beer:Leyes de la FotometríaLeyes de la Fotometría



Definiciones Definiciones

E : E : 1%

cm

a :a : absorbancia de una disolución de concentra-ción gramo por litro en celda de un

centímetro

absorbancia de una disolución de concentra-ción gramo por litro en celda de un

centímetro

e :e : absorbancia de una disolución de concentra-ción mol por litro en celda de un

centímetro

absorbancia de una disolución de concentra-ción mol por litro en celda de un

centímetro

absorbancia de una disolución de concentra- ción gramo por 0.1 litro en celda de un

centímetro

absorbancia de una disolución de concentra- ción gramo por 0.1 litro en celda de un

centímetro




La representación gráfica correspondiente a absorbancia y transmitancia en un gradiente de concentraciones es la siguiente:

Concentración



La absorbancia total de una muestra a una longitud de onda determinada es la suma de las absorbancias de cada uno de sus constituyentes a dicha longitud de onda.

Propiedad aditiva de la absorbanciaPropiedad aditiva de la absorbancia

0,0

0,2

0,4

0,6

0,8

1,0

1,2

1,4

1,6

0 200 400 600 800

longitud de onda (nm)

A

¡esto obliga a seleccionar muy bien la λdel analito!




Absortividad molar

ProblemaProblema

Una disolución de un analito de concentración 5.00 x 10-4M es puesta en una celda de muestras la cual tiene una longitud de 1.00 cm. Cuando se mide a una longitud de 490 nm, la absorbancia de la solución es 0.338. ¿Cuál es la absortividad molar del analito a esta longitud de onda?

depende de: • características del disolvente• especie absorbente• longitud de onda de trabajo

Solución:





Las absorbancias de las disoluciones que contienen Cr como Cr2O72- en 1.0 M

de H2SO4se midieron a 440 nm en una celda de 1 cm. Se obtuvieron los siguientes resultados:

Conc. de Cr, μg/mL

Abs. a 440 nm

10.00 0.034

25.00 0.085

50.00 0.168

75.00 0.252

100.00 0.335

200.00 0.669

Determine la absortividad del dicromato (Lg-1cm-1) y la absortividad molar en (L mol-1 cm-1) a 440 nm

ProblemaProblema



Los datos siguientes se tomaron de un espectrofotómetro de diodos en serie en un experimento para medir el espectro del complejo Co(II)-EDTA. La columna llamada Psolución es la señal relativa que se obtiene con una disolución de la muestra en la celda después de la sustracción de la señal oscura. La columna Psolvente es la señal de referencia que se obtiene cuando sólo está el solvente en la celda después de la sustracción de la señal oscura. Determine la transmitancia a cada longitud de onda y la absorbancia en cada longitud de onda. Grafique el espectro del compuesto

ProblemaProblemaWavelength, nm Psolvent Psolution

350 0.002689 0.002560

375 0.006326 0.005995

400 0.016975 0.015143

425 0.035517 0.031648

450 0.062425 0.024978

475 0.095374 0.019073

500 0.140567 0.023275

525 0.188984 0.037448

550 0.263103 0.088537

575 0.318361 0.200872

600 0.394600 0.278072

625 0.477018 0.363525

650 0.564295 0.468281

675 0.655066 0.611062

700 0.739180 0.704126

725 0.813694 0.777466

750 0.885979 0.863224

775 0.945083 0.921446

800 1.000000 0.977237


Limitaciones de la ley de Lambert- BeerLimitaciones de la ley de Lambert- BeerDe acuerdo a la ley de Lambert-Beer, una curva de calibración de absorbancia versus la concentración del analito en una serie de soluciones estándar debe ser una recta, con ordenada en el origen en O y una pendiente ab o εb. En muchos casos, sin embargo, se encuentran curvas de calibración no-lineales.

Estas desviaciones de la linealidad están divididas en 3 categorías: Fundamentales, Fundamentales, químicas e instrumentalesquímicas e instrumentales



La mayor parte de las especies cumplen con la ley en un determinadointervalo de concentraciones. Fuera de él, experimentan desviacionespositivas o negativas. Esto se observa bien en el calibrado:

absorbancia

concentración

Es preciso asegurar que se está trabajando en el intervalo lineal!!

respuesta debidaa la autoabsorcióno a la luz escasa queatraviesa la cubeta

respuesta del blanco,interferencias o escasasensibilidad


Limitaciones de la ley de Lambert- BeerLimitaciones de la ley de Lambert- Beer


selección de la longitud de onda de trabajo

A

λ

A

concentración

banda B

banda A

banda Abanda Bbanda C

banda C

Se debe de procurar medir las absorbancias en el entorno más próximoa la λ max. de absorción en el espectro (se minimizan errores) y se logranmáximas sensibilidades.

Midiendo lejos de ese punto de máxima absorción:Midiendo lejos de ese punto de máxima absorción:pequeñas variaciones en la medida se traducen en grandes errores.pequeñas variaciones en la medida se traducen en grandes errores.




Es conveniente ajustar el intervalo óptimo de transmitancias en lasque el error de concentración es mínimo. Es fácilmente demostrableque calibrando concentraciones que supongan un 20-80% de transmitancia,el error es mínimo.

pequeños ∆ C ocasionangrandes ∆ %T

pequeños ∆ %T ocasionangrandes ∆ C

concentración% T

errorrelativo






4. Componentes básicos de los instrumentos espectroscópicos


Componentes básicos de losComponentes básicos de los instrumentos espectroscópicosinstrumentos espectroscópicos

1. Fuente2. Selector3. Muestra4. Detector5. Transductor6. Registro

12

3

4

5

6

A

λ



FuentesFuentes

UV : lámpara de cuarzo- hidrógeno lámpara de cuarzo - deuterio

VIS : filamento de tungsteno

200 - 350 nm

350 - 750 nm

IR : emisor de Nerst globar filamento incandescente arco de mercurio fuentes láser


Componentes básicos de los instrumentos espectroscópicosComponentes básicos de los instrumentos espectroscópicos


Fuentes de radiación electromagnéticaFuentes de radiación electromagnética




Fuentes comunes de radiación electromagnética en espectroscopíaFuentes comunes de radiación electromagnética en espectroscopía

Fuentes de energía térmicaFuentes de energía térmica

Las fuentes de energía térmica más comunes son llamas y plasmas. Las llamas

se originan por combustión de un combustible y un oxidante tales como

acetileno y aire, con lo cuál se alcanzan temperaturas entre 2000 y 3400 K. Los

plasmas, los cuáles están a altas temperaturas, son gases ionizados que

proveen temperaturas entre 6000 y 10000 K.




Fuentes comunes de radiación electromagnéticaFuentes comunes de radiación electromagnética

Fuentes de energía químicaFuentes de energía química

Las reacciones exotérmicas pueden también servir como fuente de energía. En

quimioluminiscencia, el analito es elevado a un estado de alta energía por medio

de una reacción química, emitiendo radiaciones características cuando retorna

al estado de baja energía.






12

3

4

5

6

A

λ



Selección de la longitud de ondaSelección de la longitud de onda

Un selector de longitud de onda

deja pasar una banda estrecha de

radiación caracterizada por una

longitud de onda nominal, un

ancho de banda efectivo y una

máxima potencia de radiación. El

ancho de banda efectivo se define

como el ancho de la banda a la

mitad de la máxima potencia de

radiación



Anchode banda

Long. de onda In

ten

sid

ad

Características espectrales de un sistemaselector de longitud de onda




Ancho de banda efectivo= 0.25 nmAncho de banda efectivo= 0.25 nm








Para análisis cualitativo, la resolución es generalmente más importante que la máxima potencia de radiación; así, pequeños anchos de banda efectivos son deseables.

En análisis cuantitativo una alta potencia de radiación es usualmente deseable



Selector :

Prisma de difracción

rendijaFiltro

Rejilla

filtro, prisma o rejilla




Monocromadores

espejo colimador

espejo focalizador

lente colimadora

λ1

con red dedifracción

λ1

λ2

rendija de entrada

rendija de salida

lente focalizadora

elemento dispersante

λ2con prisma





12

3

4

5

6

A

λ



Area de la muestra : celdas

UV : cuarzo, sílice

VIS : vidrio, cuarzo, sílice

IR : cloruro de sodio, bromurode potasio, yoduro de cesio




Celda para gases en IR :




Celda desmontable para IR :






12

3

4

5

6

A

λ



Detectores :

De fotones (fotoeléctricos) celda fotovoltaica (VIS) fototubo (UV-VIS) fotodiodos de silicio

De calor (térmicos) termopar termocupla neumático



Al final la luz seleccionada tiene que ser detectada y cuantificada.*Esto se consigue con el empleo de detectores cuyo cometido es convertir la respuesta del instrumento en una señal medible.*Dependiendo del tipo de luz con el que se trabaja existen distintos tipos de detectores:


FOTOTUBOS Y FOTOMULTIPLICADORES

Están basados en el efecto fotoeléctrico, en el que la incidencia de unhaz fotónico sobre un metal es capaz de generar energía eléctrica

En el caso de los fotomultiplicadores, la señal se amplifica mediante el uso de diodos en serie.

FOTOTUBO



colector

FOTOMULTIPLICADOR




En la actualidad es el detector espectrofotométrico mas utilizado acoplado a un sistema cromatográfico líquido


Requisitos de los detectores

deben tener bajo nivel de ruido

la señal debe ser proporcional a la potencia radiante

deben producir señal eléctrica fácilmente amplificable

deben ser sensibles a bajos niveles de radiación

deben dar respuesta rápida

deben responder a un amplio rango de longitudes de onda






12

3

4

5

6

A

λ



La señal eléctrica generada por el transductor es enviada a un procesador de

señal donde se muestra de la forma más conveniente para el analista. El

procesador de señal también puede ser usado para calibrar la respuesta del

detector, para amplificar la señal del detector, para eliminar el ruido por

filtración o por transformación matemática de la señal.




Procesador de señal y lectura

Es el último componente básico de instrumentación

Todo espectrofotómetro ha de disponer de:1. Sistema de amplificación propia que produzca una señal medible2. Un sistema procesador de la señal, que permita eliminar, promediar datos, proporcionar salida de lectura, dirigir la salida de la señal..etc3. Una salida de la señal: digital,registrador..etc4. Tener cierta capacidad de procesar números /FTIR





Limitaciones instrumentales



Especificaciones y parámetros óptimos de trabajoEspecificaciones y parámetros óptimos de trabajo

Se denomina exactitud y reproducibilidad fotométricaexactitud y reproducibilidad fotométrica a la exactitud de las

determinaciones de transmitancia o absorbancia y a la reproducibilidad de las mismas

respectivamente.

La exactitud y reproducibilidad de longitud de ondaexactitud y reproducibilidad de longitud de onda en general son sumamente

importantes en determinaciones cualitativas porque afectan la certeza del dato de la

longitud de onda del máximo o mínimo espectral y la posibilidad de su comparación con

otros espectros, particularmente si se trata de sustancias con máximos o mínimos

próximos

a) el ancho de banda espectral (que gobierna la resolución);

b) la luz espuria («stray light» o «luz dispersa»);

c) la relación señal a ruido;

d) la respuesta y energía.

Limitaciones instrumentalesLimitaciones instrumentales




Ancho de banda

espectral

Cuanto más estrecho sea

este rango más cerca se

estaría, en principio, del

valor real,



Luz espuria o parásita

En general, esta radiación «contaminante» no deseada, que se denomina

consecuentemente luz espuria («stray light», luz dispersa o luz falsa) es sólo

una pequeña cantidad respecto de la radiación del intervalo deseado o «luz

genuina», si el espectrofotómetro está en condiciones razonablemente buenas.

Por ello bajo condiciones normales, no muy severas, los errores debidos a la luz

espuria no son muy graves, pero hay situaciones en las que el error ocasionado

puede ser de consideración.




Luz espuria






Se aprecia la señal del detector en función de la real longitud de onda (curva superior). Si la muestra absorbe fuertemente en la zona de longitudes de onda seleccionada, como se representa en la segunda curva, al detector llegará muy poca luz «genuina» y, por lo tanto, una cantidad relativamente grande de luz espuria, lo que se ilustra en la figura inferior. El resultado naturalmente es una señal detectada total mayor que la que correspondería, esto es, error por defecto en absorbancias (y por tanto en concentración). Supongamos que la muestra ha absorbido 99% de la luz «genuina», o sea, pasa un 1% (absorbancia 2,0). Si la luz espuria del espectrofotómetro en esa zona es de 0,5%, al detector llega la suma de ambas, 1,5%, lo que significa 50% de error en transmitancia, si bien sólo menos de un 18% en términos de absorbancia o concentración.

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