ESPECTROSCOPIA DE ABSORCIN MOLECULAR GENERALIDADES E INSTRUMENTACINWaldo Quiroz

MTODOS ESPECTROSCPICOS

Los mtodos de absorcin estn basados en la disminucin de la potencia (o atenuacin) de la radiacin electromagntica como consecuencia de la absorcin que se produce en su interaccin con el soluto.

Los mtodos de absorcin poseen la considerable ventaja de producir poca o ninguna alteracin en el sistema estudiado.

MTODOS DE ABSORCIN MOLECULARPROCESO POR EL CUAL UNA ESPECIE EN UN MEDIO TRANSPARENTE, CAPTA SELECTIVAMENTE CIERTAS FRECUENCIAS DE LA RADIACIN

M + h M*

Electrnicos (tomos y molculas) (UV-VIS)Vibracionales (slo molculas) (IR)Rotacionales ( slo molculas)(IR)

ABSORCIN DE LA RADIACIN

ESPECTROS DE ABSORCIN DE MOLECULAS

Informacin cualitativa: - IDENTIFICACIN: comparando el espectro de la muestra con el de una Sustancia de referencia. Ej. IR /UV-VIS.MTODOS DE ABSORCIN MOLECULAR

T => TRANSMITANCIA: Fraccin de REM incidente que pasa a travs de la muestra (0-1)PT = -----PoPoPPOTENCIA HAZINCIDENTE POTENCIA HAZ TRANSMITIDO Haz monocromatico (1)Haz monocromatico (1)Largo(l)CTransmitancia

LEY DE LAMBERT-BEERPotencia incidente (P) pasando a travs de una capa infinitesimal de espesor dl de una solucin de una especie absorbente de concentracin CFuncin de longitud de onda

FENMENOS QUE ACOMPAAN LA ABSORCIN

Po Potencia del haz luego de haber atravesado la solucin blancoPo Potencia del haz luego de haber atravesado la solucin del analitoLEY DE LAMBERT-BEER: VISIN PRCTICA

La ley de Beer se cumple para cualquier . El coeficiente de extincin molar presenta gran variacin con , lo que afecta la sensibilidad.LEY DE LAMBERT-BEER

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.(esto obliga a seleccionar muy bien la del analito)

ABSORTIVIDAD MOLAR (UNIDADES UAL/molcm)DEPENDE DE: ESPECIE ABSORBENTE CARACTERSTICAS DEL SOLVENTE LONGITUD DE ONDA DE TRABAJOLEY DE ADITIVIDADES PTICASAT = A1 + A2 + A 3 = b(1C 1 + 2C2 + 3C3)Presencia de mezclas de sustancias?

LEY DE ADITIVIDADES PTICASAT = A1 + A2 + A 3 = b(1C 1 + 2C2 + 3C3)Presencia de mezclas de sustancias?Selectividad?

Cmo se mide un espectro de absorcin molecular o un valor de absorbancia?Con ayuda de un espectrofotmetro de absorcin molecular UV-VIS Carry 5000 (Varian-Merck)Lambda 950 (Perkin Elmer Chile)

COMPONENTES BSICOS DE UN INSTRUMENTO DE ABSORCIN MOLECULAR1. FUENTE2.- SELECTOR DE 3.-RECIPIENTE MUESTRA4- DETECTOR5.-PROCESADOR SEAL

COMPONENTES BSICOS DE UN INSTRUMENTO DE ABSORCIN MOLECULAR

COMPONENTES BSICOS DE UN INSTRUMENTO DE ABSORCIN MOLECULAR1. FUENTE2.- SELECTOR DE 3.-RECIPIENTE MUESTRA4- DETECTOR5.-PROCESADOR SEAL

FUENTE DE ENERGA RADIANTE

En absorcin molecular la muestra debe ser irradiada con energa radiante procedente de una fuente.

CARACTERSTICAS IDEALES. Intensidad lumnica: 1.CONTINUA EN AMPLIA REGIN DEL ESPECTRO 2. ESTABLE 3. INTENSAPor ejemplo, UV-Visible-IR cercano H2 - D2 160 - 375 nm, debe usarse ventanas y cubetas de CuarzoLmpara de Arco de Xenon (250 - 600 nm, P max a 500 nm)Filamento de W (320 - 2500 nm, necesita control de V)FUENTE DE ENERGA RADIANTE

FUENTE DE ENERGA RADIANTEPROBLEMAS DE ALGUNAS FUENTES:

Potencia radiante vara exponencialmente con la tensin aplicada, por lo que es necesario estabilizar alimentacin.

Instrumentos doble haz.

TIPO DE FUENTE

Fuente continua: Intensidad no vara con la . Absorcin y fluorescencia molecular.

Fuente de lneas: Emisin en un limitado nmero de lneas o bandas. Absorcin atmica.

Envoltura de SiO2VentanaFUENTE DE ENERGA RADIANTELmpara de arco de 2H160 - 400 nm, Descarga elctrica disocia al 2H emitiendo radiacin UV. Deben usarse ventanas y cubetas de Cuarzo (el vidrio absorbe en el UV). Obtiene un haz de alta intensidad

2H2*2H + 2H + hv

FUENTE DE ENERGA RADIANTERegin UV-VIS

Lmpara de Arco de Xenon: Se basa en la descarga entre dos electrodos en un bulbo de cuarzo con Xe a alta presin. La excitacin de Xe produce la emisin de luz continua entre 250 y 600 nm. FUENTE DE ENERGA RADIANTE

ESPECTRO VISIBLE Y COLORES COMPLEMENTARIOSReflexin sobre el color

COMPONENTES BSICOS DE UN INSTRUMENTO DE ABSORCIN MOLECULAR1. FUENTE2.- SELECTOR DE 3.-RECIPIENTE MUESTRA4- DETECTOR5.-PROCESADOR SEAL

Sistemas selectores de longitud de ondaFILTROS DE CORTEDE INTERFERENCIADE ABSORCINFLITROSMonocromadoresDe prismaDe red (grating)NO DISPERSIVOSDISPERSIVOS

FILTROS - De absorcin - De corte - De interferencia

MONOCROMADOR compuesto de:

Slit de entradaElementos colimadores ( lentes y espejos)Prisma o red como elementos dispersantesElementos para focalizacin ( lentes y espejos)Rendija de salida.Sistemas selectores de longitud de onda

FILTROS

FILTROS DE ABSORCIN Y DE CORTE PARA UV-VISSistemas selectores de longitud de onda-Filtros-

Filtros de interferencia vs Filtro de AbsorcinAnchos de banda efectivos menores (5-10 nm frente 40-50 en Filtros de Absorcin).El porcentaje de transmitancia en el mximo es ms alto 70-85% del inicial, mientras que en los filtros de absorcin es 50 %.

Seleccion longitud de onda

Seleccion longitud de onda Dos tipos de monocromador: a) Czerney-Turner de red(b) Bunsen prisma monocromador. (1 >2).Dispersin debida a difraccin sobre superficie reflectanteRefraccin en las dos caras origina dispersin de la radiacin

Monocromador prisma Bunsen Dispersin de REM por la refraccin de la luz

Dispersin Angular del prismaDondeq => ngulol => longitud de onda =>indice de refraccinREFRACCINLa dispersin angular en un prisma

Dispersin Angular del prismaUV-Visible-Near IR cuarzoVisible (vidrio)IR NaCl

"Dispersin de 3 tipos de monocromadores"redPrisma de vidrioPrisma de cuarzoMonocromadores de Prisma

Poder de resolucin de Monocromadores de PrismaR => Poder de resolucin

b=> Ancho del prisma en la base

Litrow Type

n = d(sen(i) + sen(r))d espacio entre las lneas

MONOCROMADOR DE REDnl = d ( sen i + sen r )Segn esta ecuacin, en un ngulo r podemos tener:

900 nm (n=1); 450 nm (n=2); 300 nm ( n=3)

RED DE DIFRACCIN

Un tipo comn de monocromador es el tipo Czerny-Turner, que consiste en rendijas de entrada y salida fijas, espejos focalizadores y una red de difraccin rotatoria. Al girar la red REM de diferentes son focalizadas a la rendija de salida.Seleccion longitud de onda

Esquema de funcionamiento de una red (1)

REDEsquema de funcionamiento de una red (2)

Esquema de funcionamiento de una red (3)

Esquema de funcionamiento de una red (4)

Esquema de funcionamiento de una red (5)

Esquema de funcionamiento de una red (7)

Esquema de funcionamiento de una red (7)

Esquema de funcionamiento de una red (8)

Esquema de funcionamiento de una red (9)

Esquema de funcionamiento de una red (10)

Esquema de funcionamiento de un Espectrofotmetro

http://www.youtube.com/watch?v=pxC6F7bK8CUYoutubehttp://www.youtube.com/watch?v=qeUZRxaetTchttp://www.youtube.com/watch?v=O39avevqndUhttp://www.youtube.com/watch?v=tu57B1v0SzICAPITAN QUANTUM

Rendijas del MonocromadorConstruccion de rendijas:Piezas de Metal; Bordes Paralelos; en el mismo planoAncho rendija de entrada igual a ancho de rendija de salida

Iluminacin de un Slit de Salida por radiacin monocromtica 2

Efecto del ancho de rendija en el espectro. El de entrada es iluminado solamente con 1, 2, y 3. Slits (rendija) del MonocromadorResolucin EspectralMenor Ancho, ms resolucin, menor potencia radiante

Efecto de Anchura de Banda sobre los detalles del espectro de vapor del BencenoSlits (rendija) del Monocromador

Rendijas del Monocromador

CARAS NORMALES A LA DIRECCIN DEL HAZABSORCIN MNIMA A LA LONGITUD DE ONDA DE TRABAJOVidrio ordinario o slice (VIS).VIS-UV Slice fundida o cuarzo (UV).NaCl, NaI, etc (IR).CUBETAS

CUBETAS

MATERIALES EN INSTRUMENTOS OPTICOS

Al final la REM 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 seal medible.DETECTORES

REQUISITOS DE LOS DETECTORES

DEBEN TENER BAJO NIVEL DE RUIDOLA SEAL DEBE SER PROPORCIONAL A LA POTENCIA RADIANTEDEBEN PRODUCIR SEAL ELCTRICA FACLMENTE AMPLIFICABLEDEBEN SER SENSIBLES A BAJOS NIVELES DE RADIACINDEBEN DAR RESPUESTA RPIDADEBEN RESPONDER A UN AMPLIO RANGO DE LONGITUDES DE ONDADETECTORES

SISTEMAS DETECTORES

FOTOTUBOSEstn basados en el efecto fotoelctrico, en el que la incidencia de un haz de fotones sobre un metal es capaz de generar energa elctrica

FOTOTUBO Se utilizan en el UV-VIS (190-700 nm)Tubo de vidrio al vacoCtodo de metal con capas de xidos de metales alcalinos100 mVDETECTORES DE FOTONES

FOTOTUBOLA FOTOCORRIENTE INDUCIDA POR LA REM CAUSA UNADIFERENCIA DE POTENCIAL, LA QUE ES AMPLIFICADA YLUEGO REGISTRADA.

Respuesta de Fototubos de distintos materialesKCsSbGa/AsAg/O/Cs

Celda Fotovoltaica: La energa radiante genera una corriente en la interface entre un semiconductor (ej. Se, Hg-Cd-Te) y un metal (Fe o Cu).

- Al incidir la radiacin, el semiconductor se vuelve conductor. -Se rompen los enlaces y se liberan electrones y vacancias positivas.- Los electrones migran hacia la pelcula metlica y pasan al circuito externo para recombinarse con los vacancias que migran hacia el metal base.- Se crea una corriente cuya magnitud es proporcional al nmero de fotones que inciden. DETECTORES DE FOTONES Se utilizan en el VIS (350-700 nm)No usan fuente externa de Energa

TIPOS DE DETECTORES DE RADIACINCelda Fotovoltaica "Schematic of a typical barrier-layer cell."

TUBO FOTOMULTIPLICADOR

En el caso de los fotomultiplicadores, la seal se amplifica mediante el uso de dnodos en serie.Cada dnodo (BeO, GaP o CsSb) se conecta a una fuente externa de 90 V generando en el colector una avalancha de 106 a 107 electrones por cada fotn incidente para el caso de un tubo el fotomultiplicador de 9 dnodos

FOTODIODOS DE SILICIO-Unin de Silicio tipo p sobre un sustrato de Silicio tipo n, creandouna unin pn En ausencia de un potencial aplicado

FOTODIODOS DE SILICIOEn un detector, el diodo es polarizado inversamente (ver figura) se ensancha la regin de deplecin, concentrando espacios y electrones en la superficie de los electrodos.

-Cuando incide un haz lumnico se generan espacios y electrones, donde elnmero de pares espacio-electrones es proporcional a la intensidad del hazlumnico que incide sobre el diodo.-Consecuencia: Transferencia de electrones desde banda de valencia a la de conduccin, y un igual nmero de espacios se genera sobre el material. FOTODIODOS DE SILICIO

FOTODIODOS DE SILICIO-Unin de Silicio tipo p sobre un sustrato de Silicio tipo n, creandouna unin pn Sensibles entre 190-1100 nm.Se pueden miniaturizar y utilizar en series lineales de fotodiodos (p.e. 1024 diodos).Al aplicar un potencial, los y espacios viajan a travs de los electrodos, generando un pulso que es medido en un circuito externo.

Detector de polarizacin inversa con una serie lineal de diodos: (a) seccin transversal (b) vista superior.FOTODIODOS EN SERIE

DETECTOR DE ARREGLO DE DODOS

DISEO DE INSTRUMENTOSClasificacin general- Haz simple, lectura directa Haz simple, lectura compensada Doble haz, lectura directa Doble haz, lectura compensada

Carry 5000 (Varian-Merck)Lambda 950 (Perkin Elmer Chile)

DISEO DE INSTRUMENTOSHaz simple frente a Doble HazLa luz slo pasa por una disolucin.Se ajusta el medidor a 0 % transmitanciaCon el blanco se ajusta 100% transmitanciaSe lee absorbancia de la muestra

La luz pasa a travs de una disolucin y a la vez, pasa a travs de un blanco que sirve de referencia.Con el blanco en ambas cubetas, se ajusta 100% transmitancia.Con el blanco en la cubeta de referencia, se mide absorcin de la muestra.DISEO DE INSTRUMENTOSHaz simple frente a Doble Haz

DISEO DE INSTRUMENTOSHaz simple frente a Doble HazSi se trabaja a ms de una longitud de onda, la calibracin se debe repetir, pues la potencia de salida de la fuente como la respuesta del detector dependen de la longitud de onda Se requiere estabilizacin del voltaje de la fuente y del detector para compensar problemas de estabilidad.Si se trabaja a ms de una longitud de onda, no se requiere calibracin del detector Puesto que registra diferencias de intensidades, no afectan variaciones de la fuente y el detector, y se suprimen componentes del blanco.

DISEO DE INSTRUMENTOSLectura directa frente a lectura compensada- Para lectura directa, se usa un medidor de absorbancia o transmitancia- Para lectura compensada, se usa un dispositivo de compensacin que permite comparar la seal a medir con una seal de referencia Ms sencillos, bajo costo, fcil mantenimiento Precisin: Entre 0.5-2 % Ms complejos, mayor costo Precisin: Entre 0.2-1% Mayor exactitud

ESPECTROFOTMETRO DE DOBLE HAZ (Espacial)Haz dividido espacialmente para realizar medidas del blanco (referencia) y la muestra simultneamenteINSTRUMENTO DOBLE HAZ ESPACIAL

Divisin del haz temporalmente alternando la medida de la muestra y del blanco (casi simultaneo) mediante un espejo de sectores.La determinacin de absorbancia se realiza igualando las intensidades del haz de referencia y del blanco mediante una cua ptica con indicador de escalaMtodo de eleccin para registrar espectros UV-VIS a varias longitudes de ondaCompensa fluctuaciones de la fuente y del sistema detector (Temporal y Espacial)INSTRUMENTO DOBLE HAZ TEMPORAL

Diagrama de sistema ptico de espectrofotmetro Spectronic 20 (340 950 nm) MONO HAZ Precisin 2,5 nmAncho banda efectiva 20 nmINSTRUMENTO MONO HAZ

Esquema de Espectrofotmetro UV-Vis Doble haz Manual195-850 nm anchura de banda 4 nmPrecisin 0.2%TEsquema de Espectrofotmetro UV-Vis Doble Canal Perkin Elmer 57190-900 nm Ancho de banda: 0,2;0,5;1,0;3,0 nmPrecisin 0.1%T

DOBLE HAZ REAL: LAMBDA 25 PERKIN ELMER

DIVISOR DE HAZ

DOBLE HAZ REAL: LAMBDA 25 PERKIN ELMER

DISEO DE INSTRUMENTOSEquipos de doble dispersinPermiten mejorar pureza espectral y disminuir radiacin parsita- Configuracin de dos monocromadores en serieEsquema de Espectrofotmetro Varian Cary Modelo 219 de doble dispersin. MEDICIN:195-850 nm Precisin 0.2%T

ESPETROFOTMETRO CON ARREGLO DE DIODOS DETECTOREn la actualidad es el detector espectrofotomtrico mas utilizado Acoplado a un sistema cromatogrfico lquido

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