[PPT]Presentación de PowerPoint - Universidad de … · Web viewANÁLISIS INSTRUMENTAL I Departamento de Química Analítica y Tecnología de Alimentos TEMA 3.- COMPONENTES DE LOS

TEMA 3.- COMPONENTES DE LOS INSTRUMENTOS ESPECTROSCÓPICOS

ANÁLISIS INSTRUMENTAL I

Departamento de Química Analítica y Tecnología de Alimentos


Elementos básicos de la instrumentación utilizada. Fuentes Selectores de longitud de onda: filtros de absorción y de interferencia y monocromadores de prisma y red Recipientes para las muestras Detectores (fotónicos y térmicos)


Los instrumentos usados para estudiar la absorción o la emisión de la radiación electromagnética en función de la λ son conocidos como ESPECTROFOTÓMETROS y constan de 5 elementos básicos :

1. Fuente estable de energía radiante. 2. Dispositivo que aísle una determinada región del espectro.3. Recipiente transparente a la radiación para contener la muestra.4. Detector de radiación que convierte a la energía radiante en una señal de medida.5. Indicador de señal : sistema de procesamiento y lectura de la señal

MATERIALES DE LOS

COMPONENTES OPTICOS

En la Figura se muestran que tipo de material se emplea en función de la λ (región espectral) para cubetas , ventanas, lentes, prismas y selectores de λ.


FUENTES DE RADIACIÓN Y

DETECTORES En la Figura se

resumen los diferentes

sistemas de detección de la

señal así como las fuentes usadas en

función de la λ (región espectral).


1.- FUENTES DE RADIACIÓN Su misión es la generación de un haz de radiación con suficiente potencia de salida y

estabilidad para que se detecte y se mida con facilidad. Pueden ser CONTINUAS , que emiten radiación que varia su intensidad en un amplio Δλ y

DISCONTINUAS O DE LÍNEAS, que emiten un número limitado de líneas o bandas de radiación, cada una de las cuales abarca un limitado Δλ.

FUENTES USADAS EN ESPECTROSCOPÍAFUENTE Δλ (nm) TIPO DE ESPECTROSCOPIA

CONTINUAS

Lámpara de Xenón 250-600 Fluorescencia molecular y RamanLámpara de

Hidrogeno/Deuterio 160-380 Absorción molecular (UV)

Lámpara de Wolframio 350-2200 Absorción molecular (Visible/IR cercano)Lámpara de

Wolframio/Halógeno 240-2500 Absorción molecular (UV/Visible/IR cercano)

Lámpara de Nicrom 750-20000 Absorción molecular (IR)Lámpara de Nernst 400-20000 Absorción molecular (IR)

Fuente Globar 1200-40000 Absorción molecular (IR)

DE LINEAS

Lámpara de Cátodo hueco UV-Visible Absorción y fluorescencia atómicaLámpara de descarga sin

electrodos UV-Visible Absorción y fluorescencia atómica

Lámpara de vapor metálico UV-Visible Absorción atómica, Fluorescencia molecular y Raman

Lámpara LASER UV-Visible-IR Absorción molecular , Fluorescencia molecular y Raman


CO

NT

INU

AS

UV Visible/IRLám

para de Deuterio

Arco de Xenón

Lámpara de W

olframio

1.- FUENTES DE RADIACIÓN


2.- SELECTORES DE LONGITUD DE ONDA Para la mayoría de los métodos espectroscópicos se necesita

una radiación constituida por un grupo limitado y continuo de λ estrechas denominado banda.

Para aislar una banda estrecha se utilizan dos tipos de selectores: FILTROS Y MONOCROMADORES

FILTROSSu objetivo consiste en absorber toda la radiación

procedente de la fuente continua excepto una banda. Se caracterizan por su λ de transmisión máxima y el ancho efectivo de banda, que es la anchura de la banda para que la absorbancia se reduzca a la mitad. Pueden ser de dos tipos:

De Absorción : Limitan la radiación absorbiendo ciertas regiones del espectro, y que producen anchos efectivos de banda entre 30 y 250 nm.

De Interferencia: Se basan en la interferencia óptica

para producir bandas relativamente estrechas. Se construyen con un dieléctrico transparente, CaF2 MgF2, que ocupa el espacio entre dos películas metálicas semitransparentes muy delgadas, generalmente de Ag. Todo ello colocado entre dos capas de vidrio transparente.(Siguiente diapositiva)


FILTROS


FILTROS DE INTERFERENCIA. El grosor de la capa dieléctrica, t, se controla cuidadosamente y determinará la λ que

se transmite. Para que exista reforzamiento en 2 (rayo reflejado en λ ´ produzca una interferencia

constructiva con el rayo que incide en 2), la diferencia de camino óptico entre los rayos debe ser un múltiplo entero de la λ en el medio dieléctrico.

i

𝜆𝑎𝑖𝑟𝑒=2𝑡𝑛 i𝑛

camino óptico 2

camino óptico

Si incide perpendicularmente

i= índice de refracción del dieléctrico

Longitud de onda transmitida

MONOCROMADORES Dispersan la radiación separando espacialmente las distintas λ de la luz policromática

proporcionando bandas de anchura pequeña. Varían de forma continua y en un amplio Δλ y al mismo tiempo aíslan una pequeña banda de la luz policromática.

COMPONENTES: 1. Rendija de entrada2. Lente colimadora o espejo cóncavo que produce un haz paralelo de radiación3. Elemento que dispersa la radiación en sus longitudes de onda individuales: prisma o red4. Elemento de enfoque de salida5. Rendija de salida

CO

MPO

NE

NT

ES

Y T

IPO

S D

E

MO

NO

CR

OM

AD

OR

ES



RECIPIENTES PARA LAS MUESTRAS Todos los métodos espectroscópicos , excepto los atómicos emplean un recipiente que

contenga a la muestra. Reciben el nombre de celda o cubeta y se fabrican de :

plástico o vidrio (para la región Visible) sílice fundido (cuarzo) (para la región Visible y UV por debajo de 350 nm e IR hasta

3000 nm ) vidrio de silicato para medidas entre 375 y 2000 nm (V e IR) NaCl para la región del IR

La longitud mas común en la trayectoria de las cubetas para Visible y UV, suele ser de 1 cm, aunque las puede haber menores o mayores.

Hay cubetas acopladas a los sistemas de medidas continuas (FIA o HPLC), a través de las cuales pasa el flujo de muestra.


RECIPIENTES PARA LAS MUESTRAS


Cubeta: disolución de medida

Refrigerante: baño termostático , Peltier cooler

Portacubetas

DETECTORES Un detector es un dispositivo que convierte una propiedad física en una señal de medida , si

esa señal es eléctrica y puede amplificarse, manipularse y finalmente convertirse en números que representan la magnitud de la señal original, se trata de un transductor.

Un transductor ideal de radiación electromagnética debe responder rápidamente a bajos niveles de energía radiante en un amplio Δλ.

Ésa señal eléctrica producida debe ser directamente proporcional a la potencia del haz P : donde es la respuesta eléctrica del detector en unidades de corriente, resistencia o potencial , la potencia la sensibilidad del detector y la que mide el detector cuando no llega radiación y que se puede y debe compensar electrónicamente para que su valor sea 0.

TIPOS DE DETECTORES FOTÓNICOS :

Se basan en la interacción de la radiación (fotones) con una superficie reactiva que produce electrones (fotoemisión) o que eleva electrones a estados de E a los cuales pueden producir electricidad (fotoconducción).

Su uso esta restringido a las regiones UV-Visible, ya que los fotones de estas no tienen suficiente E para producir fotoemision en la región del IR

DE CALOR O TERMICOS : Poseen una diminuta superficie ennegrecida que al absorber la radiación IR (E), y en

consecuencia aumenta la temperatura, ese aumento se convierte en una señal eléctrica que se amplifica y se mide.


DETECTORES PARA ESPECTROSCOPÍATIPO Δλ (nm)

DE FOTONES

Fototubos 150-1000Tubos fotomultiplicadores 150-1000

Fotodiodos de Silicio 350-1100Fotoconductores 750-3000

Células fotovoltaicas 370-780

TERMICOS

Termopares 600-20000Bolómetros 600-20000

Celdas neumaticas 600-40000Celdas piroeléctricas 1000-20000


TIPOS DE DETECTORES : FOTÓNICOS

1. Fototubos: emisión de electrones de una superficie sólida fotosensible.2. Tubos fotomultiplicadores: superficies fotoemisoras que emiten una cascada de electrones

provocada por electrones procedentes del área fotosensible.3. Fotodiodos de silicio: los fotones aumentan la conductancia a través de una unión p/n .4. Detectores de Fotoconductividad o diodos en fila : aumento de conductividad debido a la

producción de electrones y huecos en un semiconductor.5. Células fotovoltaicas o de capa-barrera: la energía radiante genera una corriente en la

interfase entre una capa semiconductora y un metal TERMICOS

1. Termopar o termopila: Una o varias parejas de metales diferentes entre los que se desarrolla una diferencia de potencial, cuando sus temperaturas son distintas.

2. Bolómetro : un conductor (Pt o Ni) o semiconductor (Óxidos de Ni o Co), cuya R cambia en función de la temperatura.

3. Celdas neumáticas : Cámara cilíndrica con gas Xenón con una membrana transparente y ennegrecida que al absorber IR se calienta y calienta el gas. El otro extremo es una membrana que se desplaza por la presión del gas al aumentar la temperatura, la cual se determina a partir de su posición.

4. Celdas piezoeléctricas: Cristales de material piezoeléctrico ( titanato de bario o sulfato de triglicina) situados entre dos electrodos (uno transparente al IR) se desarrolla un voltaje que pende de la temperatura, que se mide y se amplifica.

FOTOTUBOS Está formado por un cátodo semicilíndrico y un ánodo de filamento

en una ampolla de cuarzo o vidrio donde se ha hecho el vacío. Entre los electrodos se aplica un voltaje y el material fotosensible del

cátodo (generalmente óxidos de metales alcalinos) emite electrones al ser irradiado : Efecto fotoeléctrico.

Debido al voltaje aplicado entre los electrodos, los electrones se dirigen al ánodo, por el circuito fluye una corriente cuya intensidad es directamente proporcional a la intensidad de la radiación que la provoca.

Se emplea en UV-V (150-1000 nm)

TUBOS FOTOMULTIPLICADORES. Es un fototubo con una superficie fotoemisora (cátodo

fotosensible), y varias superficies adicionales que emiten una cascada de electrones cuando son alcanzadas por los electrones procedentes del área fotosensible (dinodos)

Al incidir cada fotoelectrón sobre la superficie del dinodo cada electrón acelerado produce nuevos electrones, que se aceleran hacia el dinodo 2, y así sucesivamente, amplificándose la señal.

TEMA 3.- COMPONENTES DE LOS INSTRUMENTOS ESPECTROSCÓPICOSFO

TOTU

BO

TUBO FOTOMULTIPLICADOR


FOTODIODOS DE SILICIO

Tipo n Tipo p

FOTODIODO DE SILICIO El Si cristalino es un semiconductor , donde sus cuatro electrones se combina con otros cuatro

átomos de Si y si un se mueve deja un hueco, que es ocupado por otro conduciendo la corriente eléctrica.

La conductividad aumenta considerablemente si es dopado (1 ppm) con As (5 en su ultima capa ) se crea un exceso de (semiconductor Tipo n) o con Ga (3 en su ultima capa ) se crea un exceso de huecos (Semiconductor Tipo p)

La tecnología del silicio permite fabricar uniones pn o diodos pn, que es un conductor en una dirección y no en otra (los se mueven de n a p, es decir hacia los huecos ). En ese caso el diodo esta polarizado, la región p se une al polo (+) y la n al (-).

Cuando la unión se hace al contrario el diodo presenta una polarización inversa y se emplea como detector de fotones.

Los fotones UV y Visible crean electrones y huecos en la capa vacía de la unión pn. El aumento de conductividad se mide fácilmente y es proporcional a la potencia radiante P.


DETECTOR DE FILA DE DIODOS Se pueden fabricar chips de Si que contienen mas de mil

fotodiodos (0,02mm cada uno) Con uno o dos de estos detectores colocados en el plano

focal (Figura) del monocromador pueden medirse de forma simultanea todas las longitudes de onda.

El chip contiene un condensador y un interruptor electrónico por cada diodo.

Los espectrofotómetros con estos detectores se denominan multicanales.

CELULAS FOTOVOLTAICAS Es el transductor mas sencillo y económico . Está formado por dos electrodos, uno metálico (de Cu o

Fe) y otro semiconductor (de Se, Hg-Cd-Te u CuO) Al incidir la radiación, el semiconductor se vuelve

conductor y la energía radiante genera una corriente en la interfase.

Se rompen los enlaces y se liberan electrones y huecos positivos.

Los electrones migran hacia la película metálica y pasan al circuito externo para recombinarse con los huecos que migran hacia el metal base creándose una corriente cuya magnitud es proporcional al número de fotones que inciden. CELULA FOTOVOLTAICA

DETECTORES DE FILA DE DIODOS

Documents

[PPT]Presentación de PowerPoint - Universidad de … · Web viewANÁLISIS INSTRUMENTAL I Departamento de Química Analítica y Tecnología de Alimentos TEMA 3.- COMPONENTES DE LOS