Química Analítica Instrumental Umss

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  • 8/9/2019 Qumica Analtica Instrumental Umss

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    Qumica Analtica Instrumental

    2013 Dr. Jos Mara Fernndez lvarezFacultad de Ciencias

    Universidad de Navarra

    Qumica Analtica InstrumentalTema 1.-Fundamentos de espectroscopa. La radiacin electromagntica. Propiedadesondulatorias de la radiacin. Aspectos mecanocunticos de la radiacin. Espectroscopaatmica y molecular.

    Tema 2.-Diseo y componentes de los instrumentos espectroscpicos. Fuentes deradiacin. Clulas. Selectores de longitud de onda. Detectores. Tratamiento de seales.

    Tema 3.-Espectroscopa UV-visible. Sistemas que absorben en el UV-visible. Ley de Beer.Instrumentacin. Mtodos y aplicaciones.

    Tema 4.-Espectroscopa de luminiscencia molecular. Fluorescencia y fosforescencia.Quimioluminiscencia. Instrumentacin. Aplicaciones.

    Tema 5.-Principios de espectroscopa atmica. Espectros atmicos de emisin yabsorcin. Trminos espectrales. Anchuras de lnea. Atomizacin por llama yelectrotrmica. Eleccin de las condiciones ptimas. Atomizacin con fuentes de plasma.Atomizacin con arco y chispa. Instrumentacin. Aplicaciones.

    Tema 6.-Clasificacin de las Tcnicas Electroanalticas. Leyes Generales. FenmenoElectrdico. Lmite de Electroactividad. Montaje Potenciosttico. Electrodos selectivos deiones.

    Tema 7.-Etapas de la Reaccin Electroqumica: control difusional; capa de d ifusin;hiptesis de Nernst; flujo difusional y convectivo; leyes de Fick. Curvas i-E. Potenciales deequilibrio, mixto y lmite.

    Tema 8.-Valoraciones amperomtricas y potenciomtricas. Sistemas autoindicadores.Sistemas electroqumicos indicadores de reacciones en equilibrio.

    Tema 1.

    1. Fundamentos de la espectroscopa.

    2. La radiacin electromagntica.

    3. Propiedades ondulatorias de la radiacin.

    4. Aspectos mecanocunticos de la radiacin.

    5. Espectroscopa atmica y molecular.

    Introduccin

    La Qumica Analtica es la ciencia que ident if ica los componentes de unamuestra (anlisis cualitiativo) y que determina las cantidades relativas de cadauno de ellos (anlisis cuantitativo). Generalmente se precisa una separacinprevia del analito de inters.

    Mtodos Clsicos: Qumica por va hmeda (volumetras, gravimetras yanlisis cualitativo sistemtico)

    Mtodos Instrumentales: explotan las propiedades fsicas del analitopara obtener informacin cualitativa y cuantitativa

    Espectroscopa: estudia la interaccin del campo elctrico de la radiacinelectromagntica con la materia mediante fenmenos de absorcin,emisin y dispersin de luz

    Algunas modalidades espectromtricas Regiones del espectro electromagntico

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    Regiones del espectro electromagntico Interaccin de la energa radiante con la materia

    Interaccin de la energa radiante con la materia Interaccin de la energa radiante con la materia

    La luz: radiacin electromagntica

    La luz tiene una naturaleza dual:

    Corpuscular (fotones)

    Ondulatoria (ondas)

    Ver Skoog, pag. 135-7

    La luz: niveles discretos de energa

    El principio de quantizacin de la energa implica que slo son

    posibles ciertos valores discretos de energa.

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    La luz y su interaccin con la materia: niveles discretos de energa Onda electromagntica

    1s][hertz][s

    ciclos][

    Frecuencia: nmero de ciclos por unidad de tiempo. Depende de la fuenteemisora y permanece invariante, independientemente del medio que atraviese.

    Periodo: tiempo empleado en un ciclo completo. T = 1/ [=] s

    Longitud de onda, i: distancia entre dos mximos o mnimos sucesivos.

    Nmero de onda: nmero de ondas por cm.

    Kv

    1;cm][

    1

    i

    1

    i

    Velocidad de propagacin: vi = i v y son funcin del medioque atraviesan

    En el vaco, la velocidad de la radiacin se hace independientede la longitud deonda y alcanza su valor mximo. c = = 3,00108 ms-1

    Onda electromagntica

    Potencia, P, es la energa expresada en watios que alcanza un readeterminada por unidad de tiempo

    Intensidad, I, es la potencia de la radiacin por unidad de ngulo slido

    chch

    hE h, constante de Planck = 6,6310-34 J s

    La P de un haz es directamente proporcional al nmero de fotones por segundo.

    Figuras de interferencias

    La amplitud de la onda resultante depende del desfase entre las ondasindividuales

    Interferencias constructivas y destructivas

    A desfase cero, =0, se obtiene lainterferencia constructiva mxima

    Para = 180, se obtiene lamxima interferencia destructiva

    Superposicin de ondas

    Animations courtesy of Dr. Dan Russell, Kettering University

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    Transmisin de la luz a travs de un medio: frenado de onda

    El frenado es funcin de la naturaleza y concentracin de la materiaatravesada.

    ii v

    cnndice de

    refraccin

    Curva de dispersin refractiva

    Lentes, n cte.

    Prismasni = f (i)

    vi = f (i)

    Dispersin de la luz (scattering)

    Radiacindispersada entodas lasdirecciones

    Centro dispersante(p.e.: molcula, partculainsoluble o coloidal)

    Hazincidente

    Rayleigh

    Dispersin de la luz (scattering)

    La mayora de los fotones

    dispersados tienen la misma

    frecuencia que la fuente (dispersin

    Rayleigh); sin embargo, la

    frecuencia de algunos fotones

    (aprox. 1 en 107) ha variado

    (dispersin Raman).

    Polarizacin

    Se dice que la radiacin electromagntica est despolarizada cuando losvectores magntico y elctrico alcanzan la misma magnitud en todas lasdirecciones.

    La luz se dice linealmente polarizada cuando osc ila en un nico plano almoverse por el espacio.

    Luz polarizada en el plano y luz polarizada circular

    E = Eocost E = Eoe-t = Eocost + Eo sin t

    Luz polarizada en el plano Luz polarizada circular

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    Refraccin de la luz: ley de Snell

    2211 sennsenn

    Cambio abrupto de la direccin de una radiacin al pasar de unmedio a otro con distinta densidad, como consecuencia del cambio

    de velocidad de la radiacin en los dos medios.

    2

    1

    2

    1

    2

    1

    1

    2

    1

    2

    2

    1

    v

    v

    vcvc

    n

    n

    sen

    sen

    Si el medio 1 es el vaco, n1 = 1

    nvaco = 1,00027 naire

    Reflexin de la luz

    Principio de Fermat: laluz sigue el camino mscorto (menos tiempo).

    La longitud L de A a B es:

    Puesto que la velocidad es cte (mismo medio) la ruta de tiempo mnimo es lade distancia mnima que se puede calcular igualando a cero la derivada.

    Reflexin de la luz

    Sila rugosidadde la superficie lmite es menor que la longitudde onda, entonces se produce una reflexin propiamente dicha,parala cualse cumple laley de lareflexin (ngulo de incidencia =ngulo de reflexin). Por lo general se refleja nicamente una parte

    delrayo incidente, pues la otra penetraen el medio y es refractada.

    Si la rugosidad de la superficie lmite es comparable a lalongitud de onda del rayo incidente se obtiene una difusin(reflexin difusa)

    Si el rayo sobrepasa un ngulo lmitedeterminado, se produce la denominadareflexin total.

    Reflexin de la luz

    Para un rayo que incida

    perpendicularmente a la superficie, la

    reflectancia viene dada por:

    i

    r2

    12

    212

    I

    Igeneral,eny,

    )n(n

    )n(n

    Pasar del aire (n=1) a vidrio (n=1,5) supone una reflectanciade = 0,04 = 4%

    Si hay muchas superficies en el camino ptico, se producenmuchas prdidas: stray light

    Ii

    Ir

    Ver Skoog, pg 133Ejemplo 6.2

    Difraccin de radiacin monocromtica por rendijas

    Difraccin: todo haz paralelo de radiacin electromagntica se curva alpasar por un objeto puntiagudo o por una rendija estrecha.

    La difraccin es consecuencia de la interferencia y fue demostrada en 1800por Young

    Difraccin de radiacin monocromtica por rendijas

    OE

    DEBC

    OD

    DEBCm

    senODDE

    ciainterferendeorden:m

    senBCm

    senBCCF

    CBF

    DOEBCF

    Ver Skoog, pg 129-130Ejemplo 6.1

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    Radiacin coherente

    Radiacin emitida por una fuente cuando todas las ondas elementales emitidas poseenuna diferencia de fase constante en el tiempo y en el espacio (IUPAC, 1997)

    La luz producida por un lser es:

    Monocromtica (longitud de onda nica)

    Coherente (en fase)

    Direccional (cono de divergenciaestrechsimo)

    La lmpara incandescente produce una luz:

    Cromtica

    Incoherente

    No direccional

    Fuente de luz monocromtica:

    Coherente

    No direccional

    Diagrama simplificado de niveles energticos

    + E rot

    EE = E electr+ E vibr

    tomos absorbentes: espectro atmico

    Los dos picos de absorcin surgende la promocin del electrn 3salos dos estados 3p

    Absorcin y resolucin espectral

    Espectros de absorcin Desactivacin radiacional y no-radiacional

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    Diagrama de bloques para absorcin Diagrama de bloques para fluorescencia y fosforescencia

    Fuentes de radiacin en EAM

    Caractersticas relevantes:

    1. Distribucin espectral: intensidad a distintas (fuentes de

    continuo vs. fuentes de lneas)

    2. Intensidad

    3. Estabilidad

    1. Ruido (fluctuaciones a corto plazo)

    2. Deriva (fluctuaciones a largo plazo)

    4. Coste

    5. Tiempo de vida

    6. Geometra

    Fuentes de radiacin en EAM

    Espectro continuo

    Espectro de lneas discretas

    I: Fuentes de continuo

    Comportamiento delCuerpo Negro:Como W~ T4, cuando se usa

    una fuente incandescente se

    precisa una temperatura

    constante para que la

    emisin sea estable.

    A) Radiacin trmica (incandescencia)Los slidos calentados emiten radiacin prxima a la radiacin terica delcuerpo negro.

    )(VW

    (Stefan)T)W(B

    (Wien)T

    1

    4

    4

    mx

    VISelen

    I: Fuentes de continuo

    VIS

    1. Filamento de wolframio encapsulado en un bulbo de vidrio

    Normalmente funciona a unos 3.000CSe necesita atmsfera inerte para prevenir la oxidacin del filamentoEs til entre 350-2.200 nm (VIS- IR cercano)Por debajo de 350 nm el vidrio absorbe la mayor parte de la radiacin

    2. Lmparas halgenas en bulbo de cuarzo

    El halgeno sirve para formar haluros voltiles de volframioAl enfriar la lmpara, el W se re-deposita sobre el filamentoMayor tiempo de vida.Pueden funcionar a T ms altas (hasta unos 3.500C)Proporcionan mayor intensidad lumnicaElevadas T demandan cuarzo en las paredes de la lmpara.El cuarzo transmite mejor en el UV.

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    I: Fuentes de continuo

    B) Lmparas de descarga de gasesFlujo de corriente entre dos electrodos sumergidos en un tubo relleno degas.Los electrones colisionan con el gasexcitacinemisin

    hDDDED elctrica '''*22

    Intervalo de: 160 380 nm

    Muy adecuadas para el UV

    Lmpara de Deuterio

    I: Fuentes de continuo

    B) Lmparas de descarga de gasesFlujo de corriente entre dos electrodos sumergidos en un tubo relleno degas.Los electrones colisionan con el gasexcitacinemisin

    Intervalo de : 180 370 nm

    Muy adecuadas para el UV

    Lmpara de H2: 3-5 veces menos intensa que la de Deuterio.

    D2 ms pesado que H2 menores prdidas por colisiones

    I: Fuentes de continuo

    B) Lmparas de descarga de gasesFlujo de corriente entre dos electrodos sumergidos en un tubo relleno degas.Los electrones colisionan con el gasexcitacinemisin

    Para una ms elevada intensidad:

    Lmpara de Xenon a 10-20 atm

    Ms colisiones: continuo

    Inconvenientes:

    Vida relativamente corta

    Necesita cebado

    Arco errante

    Potencia dependiente del tiempo

    I: Fuentes de continuo

    B) Lmparas de descarga de gasesFlujo de corriente entre dos electrodos sumergidos en un tubo relleno degas.Los electrones colisionan con el gasexcitacinemisin

    Lmpara de vapor de mercurio

    til para cuando se necesitan

    unas pocas lneas muy intensas

    (Fluorimetra)

    Fuentes en EAM

    Para EAM UV-VIS: H2 o D2 en el UVy W para el VIS(cambio durante el barrido)

    Para Espectrofluorimetra con barrido:

    lmpara de arco de Xe

    Con fluormetros de longitud de onda fija:

    lmpara de Hg a baja Presin

    Fuentes en EAM

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    Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation

    Laser He-Ne Ratio emisin estimulada/absorcin

    1

    2

    )(absorbida12

    a)(estimulad21

    N

    N

    R

    R

    Conclusin:

    para lograr emisinestimulada se precisa unainversin de la poblacin:

    N2 > N1

    Mecanismo Laser

    Energy pumpingmechanism

    Energyinput

    Lasing medium

    Highreflectance

    mirror

    Partiallytransmitting

    mirror

    Outputcoupler

    Feedback mechanism

    Laser en accin

    Lasing mediumat ground state

    Populationinversion

    Start of stimulatedemission

    Stimulated emissionbuilding up

    Laser infull operation

    Pump energy

    Pump energy

    Pump energy

    Pump energy

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    Laser: tipos

    1) Estado slido

    a) Laser de Ruby [Al2O3+Cr(III)]. Opera a 694,3 nm bombeado porlmpara de arco de Xe. Pulsante (puede ser CW tambin)

    b) Laser de Nd/YAG (granate de Y-Al con Nd): 1.064 nm

    2) Gaseosos

    a) tomo neutro: He-Ne: 632,8 nm

    b) Iones:Ar+ o Kr+: 514,5 nm

    c) Moleculares: CO2 : 10.000 nm (1.000cm-1); N2: 337,1 nm

    d) Excmeros: gas inerte + F: ArF+ (193 nm); KrF+ (248 nm);XeF+ (351 nm)

    3) Colorante (dye laser). Amplia gama de colorantes que puedenproporcionar una variedad de .

    4) Diodo semiconductor. Amplia gama de . Continuo.

    Laser: caractersticas

    La luz producida por un lser es:

    Monocromtica (longitud de onda nica)Coherente (en fase)

    Direccional (cono de divergencia estrechsimo)

    Intensa

    La lmpara incandescente produce una luz:

    Cromtica

    Incoherente

    No direccional

    Fuente de luz monocromtica:

    Coherente

    No direccional

    Sistema de aislamiento de

    Tres enfoques o planteamientos:

    1) Bloqueo de la radiacin no deseada: FILTRO

    2) Dispersin de la radiacin y seleccin de la banda estrecha de de inters:MONOCROMADOR

    3) Modulacin de las a diferentes frecuencias: INTERFERMETRO

    Sistema de aislamiento de

    1. Filtros

    Absorcin (vidrio, pelcula o disolucin coloreada: solucin ms barata)

    Corte

    Interferencia

    2. Monocromadores

    Prisma

    Red

    Filtros de absorcin (filtros de paso de banda)

    Muestran muy baja transmitancia

    Presentan un perfil de pico muy ancho

    Pueden usarse 2 ms filtros en serie

    Pueden ser de cuarzo o vidrio

    Relativamente baratos

    Caracterizacin de los filtros

    Dos trminos asociados con los filtros pticos son: 1. Anchura de bandaefectiva medida a lamitad de altura de pico.

    2. nominal (450 y 500nm, en estos casos)

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    Filtros de corte (Cut-off filters)

    %T

    / nm

    La combinacin de 2 filtros de corte produce el

    efecto de un filtro de paso de banda

    Combinacin de filtros de absorcin y de corte

    Filtro de interferencia

    Haz incidente

    Capas metlicassemi-reflectantes Radiacin

    transmitida

    Lminas devidrio

    Material dielctrico (CaF, MgF)

    Filtro de interferencia

    Recorrido entre superficies:cos

    t

    Reforzamiento:cos

    t2m '

    1cos0

    t2'm

    En el aire: = n

    Longitud de onda transmitida:

    m

    nt2

    t

    Filtro de interferencia

    Tpicamente, el %T

    disminuye con

    anchuras de banda

    decrecientes.

    Filtro de interferencia vs. filtro de absorcin

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    Cua de interferencia (wedge)

    Glass

    Moveable Slit

    Dielectric Layer

    Metallic Layer

    White Radiation

    Monochromatic

    Radiation

    Son tiles para seleccionar varias bandas de radiacin gracias almovimiento de la radiacin incidente a lo largo del filtro.

    Las anchuras de banda tpicas son 20 nm

    Monocromador: Prisma

    Se pueden usar desde el UV hasta el IR

    El material a emplear depende de la zona del espectro

    Vidrio: en elVIS por encima de 350 nm

    Cuarzo: en el UV

    Sales cristalinas (NaCl, KBr): en el IR

    Monocromador: Red

    En la red de escalerilla (rejilla) se hacen una serie de hendidurasparalelas (surcos) en una superficie lisa con espaciado diferente enfuncin de la zona del espectro.

    UV_VIS: 500 a 5.000 lneas por mm

    IR: 50 a 200 lneas por mm

    Red de escalerilla: interferencia constructiva

    )ABCD(m

    isendCD

    rsendAB

    r)seni(sendm

    Red de escalerilla: interferencia constructiva

    Una red que contiene 1.450 surcos/mm es irradiada con luz policromtica conun ngulo incidente de 48. Qu longitudes de onda aparecern a un ngulode reflexin de +20 y de -10?

    r)seni(sendm

    nm689,7mm

    nm10

    1.450

    mmd

    6

    Para r = 20:

    = (689,7/m) (sen 48 + sen 20) = 748,4/m nm

    (748,4; 374,2; 249,5 nm, etc.)

    Para r = -10:

    = (689,7/m) [sen 48 + sen (-10)] = 397,9/m nm

    (397,9; 199,0; 132,6 nm, etc.)

    Monocromador de red

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    Monocromador de red. Montajes Czerny-Turner y Ebert Monocromador: Dispersin

    Dispersin lineal: variacin de la en funcin de la distancia a lo largodel plano focal.

    D = dy/d = F dr/d = F A

    F: distancia focal de la lente de enfoque

    Dispersin recproca lineal: D-1 = d/dy = 1/F d/dr [=] nm/mm

    Dispersin angular: cambio en el ngulo de reflexin a medida quevara la

    A = dr/d1 2

    y

    r)seni(sendm

    cosrd

    m

    d

    dr

    Fm

    cosrd

    dy

    dD 1

    A menor d lecorresponde unamayor dispersinangular

    Para r < 20 cos r 1

    Fm

    dD 1 Si r es pequeo, Dpara

    una red- es constante

    Para un prisma: D NO es constante.

    d

    dn

    dn

    dr

    d

    drFD

    Variable (ver curvas dedispersin)

    Monocromador: Poder de Resolucin, R

    2121 ;

    2;

    R

    Red: 103 - 104

    Prisma: 101 - 102

    Rred = mN

    Rprisma = b dn/d b

    N de rayasOrden deinterferencia

    Ej.: Si R = 103 y = 500,

    entonces = 0,5 nm

    Ej.: Calcular la resolucin necesaria paraobservar procesos de absorcin a 599,9y 600,1 nm sin interferencia.

    R = 600 / 0,2 = 3.000

    Monocromador: Velocidad, f/nmero

    d

    Ff

    F: distancia focal

    d: dimetro de la lentef/nmero: 1 -10

    El poder colector de luz es ~ f -2

    Cuanto menor es el nmero ms luz se recoge.

    Un monocromador con f/2 recoge 4 veces ms de luz que uno con f/4

    El poder colector de luz es una medida de la cantidad de luz quealcanza el detector.

    Cuanta ms energa radiante llegue al detector, mayor relacin

    seal/ruido se obtendr en la medida resultante.

    Comparacin de prestaciones de los sistemas aisladores de Red de escalera

    Fm

    dD

    sendm

    ir

    cos2

    2

    1

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    Monocromador de red de escalera

    Monocromador doblemente dispersante

    Dispersin ms elevada

    Mejor resolucin

    que un monocromador convencional

    Los dos elementos dispersantes son una redde escalera y un prisma de baja dispersin.

    Monocromador de red de escalera

    Anchura de rendija y resolucin

    w

    ef

    ef

    wySi

    yD 1

    1ef Dw

    Anchura de rendija y resolucin

    Si la w se ajusta demodo que ef= se consigue resolucinespectral completa.

    mm

    nm1,2

    yR

    w?

    mm0,25

    mmnm

    1,2

    nm0,3

    Dw

    nm0,3589)(589,621

    1ef

    ef

    Anchura de rendija y resolucin

    Rendijas estrechasgarantizan mejorresolucin

    P

    P

    Anchura de rendija y resolucin

    Rendija estrecha

    Mejor resolucin: aptas para anlisis cualitativo

    Prdida de potencia del haz: no recomendables para anlisis cuantitativo

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    Material ptico

    Lentes, prismas y celdillas han de ser transparentes a la

    radiacin utilizada

    En elVIS se puede emplear el vidrio de 350 nm en

    adelante

    En el UV, el cuarzo es el ms adecuado

    En el IR: NaCl, KBr

    Cuanto ms pesado sea el tomo ms transparente a radiaciones

    alejadas en el IR (mayores ).

    Su mayor problema es la posibilidad de absorber la humedad ambiente

    que hace que se velen.

    Celdas para la muestra

    Transductores de radiacin (Detectores)

    Los primeros detectores fueron el ojo humano y las placas fotogrficas.

    Los instrumentos modernos contienen dispositivos que convierten la radiacinen una seal elctrica.

    Dos tipos habituales:

    Detectores de fotones

    Los detectores fotoelctricos o cunticos poseen una superficie activa capazde absorber radiacin EM

    En algunos, la radiacin absorbida produce la emisin de electronesdando lugar a una fotocorriente

    En otros, la absorcin de radiacin promueve electrones a la banda devalencia de un semiconductor posibilitando la conduccin(fotoconduccin)

    Uso comn en instrumentos UV, VIS, IR cercano

    Detectores trmicos

    Miden el calor inducido por la radiacin incidente

    Uso frecuente en espectroscopa IR

    Caractersticas del detector ideal

    Elevada sensibilidad

    Alta relacin seal/ruido (S/N ratio)

    Respuesta independiente de la (o al menos dar unarespuesta constante a lo largo de un intervalo amplio de )

    Tiempo de respuesta corto

    Ausencia de corriente oscura

    Seal directamente proporcional a la potencia

    radiante incidente

    Clula fotovoltaica

    h: rotura de enlaces covalentes; creacin de electrones y huecos conductores

    Muy sencillo

    S = k P

    Poco sensible

    Fatiga

    Fototubo de vaco

  • 8/9/2019 Qumica Analtica Instrumental Umss

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    17

    Tubo fotomultiplicador (PMT) Tubo fotomultiplicador (PMT)

    Muy sensibles a radiacin Vis-UV

    Factor limitante: corriente oscura refrigeracin

    Se usan para medir radiacin de baja potencia

    Detector de diodo de silicio

    Se origina una corrienteproporcional a la potencia radiante

    Sensibilidad intermedia entre el fototubode vaco y el tubo fotomultiplicador

    Detector de diodo de silicio (unin p-n)

    I0

    I1

    h

    + -

    Depletion layer

    190 1100 nm

    R(

    a.u.)

    Detector de diodo de silicio Serie de fotodiodos (Photodiode array)

  • 8/9/2019 Qumica Analtica Instrumental Umss

    18/100

    18

    Serie de fotodiodos (Photodiode array)

    Multi-channel

    Amplifier

    Diode Array

    Los detectores de fotodiodos han revolucionado el

    diseo de instrumentos VIS-UV al hacer posible la

    miniaturizacin de los espectrmetros

    Dispositivo de carga acoplada ( Charge Coupled Device, CCD)

    CCD Charge-Coupled Device, "dispositivo de cargas (elctricas) interconectadas

    Los primeros dispositivos CCD fueron inventados por Willard Boyle y GeorgeSmith en 1969 en los Laboratorios Bell.

    Dispositivo de carga acoplada (Charge Coupled Device, CCD) Dispositivo de carga acoplada (Charge Coupled Device, CCD)

    Determining the brilliance distribution of an astronomical object (star, planet,galaxie,...) with the help of a CCD is pretty much similar to the measurments ofthe quant ity of infal ling ra in on a farm. As soon as the ra in stops, col lectingbuckets are displaced horizontally on conveyor belts. Then the water content ofthe buckets is collected in other buckets on a vertical conveyor belt. The overallcontent is sent onto a weighting system.

    Dispositivo de carga acoplada (Charge Coupled Device, CCD)

    The way a CCD works i s il lus trated by means of a s impli fi ed CCD made of 9 p ixel s, anoutput register and an amplifier. Each pixel is divided in 3 regions (electrodes who serve tocreate a potential well). (a) when an exposure is made, the central electrode of each pixel ismaintained at a higher potential (yellow) than the others ( green) and the charges collectingprocess takes place. (b) At the end of the exposure, the electrodes potentials are changedand chargestransferred from one electrode to theother.

    To Output amplification

    Outputregister

    Pixel

    Electrodes Electrons

    (a) (b)

    Dispositivo de carga acoplada ( Charge Coupled Device, CCD)

    (a) By changing in a synchronized way the potential of the electrodes, electrons aretransfered from pixel to pixel. Charges on the right areguided to the output register

    (b) The horizontal transfer of charges is then stopped and charge packages at the outputregister are transfered vertically, one by one, to an output amplifier and then read oneby one. The cyclestarts again until all the charges have been read (reading timeof about1 minute for a large CCD).

    (b)(a)

    Impurity (doping)

  • 8/9/2019 Qumica Analtica Instrumental Umss

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    19

    Dispositivo de carga acoplada (Charge Coupled Device, CCD)

    Mosac of 4 CCDs, containingeach 2040 x 2048 pixels. Thiscomposite detector is about 6 cmlarge and contains a total of 16millions pixels (Kitt PeakNational Observatory, Arizona).

    Dispositivo de carga acoplada (Charge Coupled Device, CCD)

    Quantum efficiency curves of different types of CCDs as a function of the wavelenghtcompared to the one of other detectors. We can see on this plot the large domain ofwavelenghts for the spectral response of CCDs.

    La medida instrumental cuantitativa

    Todas las medidas instrumentales involucran una seal

    Desafortunadamente, todas las seales incorporan ruido

    En ocasiones el ruido es grande

    A veces el ruido es tan pequeo que no se percibe.

    A menudo el ruido es constante e independiente de la seal

    Cociente Seal/Ruido (Signal to Noise ratio; S/N): Su estimacin

    Da una idea de la calidad de las medidas instrumentales

    RelativaEstndarDesviacin:DER

    DER

    1

    s

    x

    estndardesviacin

    seallademedia

    N

    S

    x = 0.9

    Nt = 1.0 x 10-15A

    s = Nt/5 = 1.0 x 10-15/5 = 0.2 x 10-15

    x = 0.9 x 10-15

    S/N=x/s = 0.9 x 10-15/0.2 x 10-15 = 45

    Cociente Seal/Ruido (Signal to Noise ratio; S/N)

    Un cocienteS/N bajoproporciona muypoca fiabilidadpara la medidade sealesanalticas.

    El Lmite deDeteccin sueletomarse para S/N~ 2 3

    Fuentes de ruido

    Ruido Qumico: temperatura, presin, humedad, etc.

    Las variaciones provocan fluctuaciones incontrolables

    Ruido Instrumental: debido a los componentes de losaparatos

    - Trmico (Johnson noise): movimiento trmico de loselectrones en los resistores

    - Disparo (Shot noise): movimiento de los electronesa travs de una unin.

    - Parpadeo (Flicker noise): cualquier ruido que esinversamente proporcional a la seal: 1/f

    -Ambiental (Environmental noise): mezcla demltiples fuentes de ruido.

  • 8/9/2019 Qumica Analtica Instrumental Umss

    20/100

    20

    Ruido trmico (ruido blanco)

    Vrms: raz cuadrtica media o valor eficazdel ruido de latensin que est dentro de una

    k: constante de Boltzmann (1,3810-23 JK-1)

    T: temperatura absoluta en K

    R: resistencia en

    f: anchura de banda de la frecuencia del ruido en Hz

    rt3

    1f

    Tiempo de ascenso, tr, es el tiempo de respuesta expresado en sde un instrumento a un cambio brusco de la seal de entrada.

    Se toma como el t necesario para que la seal de salida pase del10% al 90% de su valor final

    Ej.: tr = 0,01 s ancho de banda = 33 Hz

    Ruido de disparo (shot noise)

    irms: raz cuadrtica media o valor eficaz de lasfluctuaciones de corriente relacionadas con

    i: La corriente continua promedio

    e: carga del electrn (1,6010-19 C)

    f: ancho de banda de las frecuencias consideradas

    Tambin tiene carcter de ruido blanco

    Ruido ambiental Mejora del cociente S/N

    Hardware & software

    Hardware:

    1. Toma de tierra y proteccin (caja de Faraday)

    2. Filtracin analgica y RC

    3. Modulacin: conversin de la seal DC a AC de alta

    frecuencia y posterior demodulacin4. Chopping de la seal: disco rotatorio, ayuda a discriminar

    seales continuas de las transientes

    5. Amplificadores operacionales

    Filtro de paso bajo

    Raw Data Filtered Data

    Low PassFilter

    Deja pasar las seales de frecuencia baja, eliminando el ruido asociado afrecuencias altas (ruido trmico y de disparo)

    til para instrumentos que miden seales analticas de baja frecuencia

    Filtro de paso alto

    Raw Data

    Time

    i

    Time

    0

    Filtered Data

    High PassFilter

    Elimina el ruido de frecuencia baja (parpadeo y deriva) permitiendo elpaso de las frecuencias altas.

    til para instrumentos que miden seales analticas de alta frecuencia

  • 8/9/2019 Qumica Analtica Instrumental Umss

    21/100

    21

    Filtro de paso de banda

    Band Pass1.0

    0.8

    0.6

    0.4

    0.2

    0.01 0.1 101.0 100 1000 10,000

    Frequency, Hz

    RelativeSignal

    Band PassFilter

    High PassLow Pass1.0

    0.8

    0.6

    0.4

    0.2

    0.01 0.1 101.0 100 1000 10,000

    Frequency, Hz

    RelativeSignal

    Combinacin adecuada de filtros de paso bajo y alto para dejar pasarsolamente la(s) frecuencia(s) de inters.

    Modulacin -desmodulacin

    La seal se modula hacindola pasar por un chopper (disco rotatorio) de

    modo que pasa de poseer baja frecuencia a ser una seal de alta frecuencia (el

    ruido 1/f es menos problemtico a frecuencias elevadas)

    A continuacin la seal se amplifica y se pasa a travs

    de un filtro de paso alto para eliminar el ruido 1/f

    La seal se demodula y se pasa por un filtro de paso

    bajo para dar lugar a una seal de corriente continua (dc)

    amplificada

    Mejora del cociente S/N

    Hardware & softwareSoftware:

    1. Promediado conjunto

    2. Promediado por grupos

    3. Filtrado digital

    1. Promediado conjunto

    Si laseal enxt iene un valorde Sx,

    Al sumar n series de datos, la suma valdr: n Sx.

    La seal del ruido, Nx, contenido en Sx, tambin se sumar pero como las sealesde ruido son aleatorias se acumulan como la

    Por tanto la suma del ruido de x despus de sumar n series de datos es: Nx

    n

    n

    En este algoritmo, sucesivas series dedatos (matr ices) se recogen y sumanpunto por punto como en una matr izde la memoria de un ordenador(COADICIN). Despus de lacoadici n, los datos se promediandividiendo la suma para cada puntopor el nmero de barridos realizados.

    x

    x

    x

    x

    N

    Sn

    N

    S

    n

    n

    N

    S

    Promediado conjunto (ensemble averaging)

    Registro de sucesivos espectros,suma punto a punto y promediado

    n

    S

    S

    n

    i

    i

    x

    1

    n

    iix

    x

    n

    iix

    xx

    SS

    Sn

    n

    SS

    S

    N

    S

    1

    2

    1

    2

    Donde:Sx= seal promedio (punto)

    Si= medida individual de la seal

    n= nmero de medidas

    Entonces:

    n

    SS

    N

    n

    i

    ix

    1

    2

    )noiserms(

    Promediado conjunto (ensemble averaging)

    56.1214.316N

    Sn

    N

    S

    1

    1x

    1

    1x

    N

    Sn

    N

    S

    A Single Spectrum

    0.0

    0.5

    1.0

    1.5

    0 100 200 300 400 500 600

    Time (s)

    Signal

    S N S/N

    0.91 0.289 3.14

    Average of Sixteen Spectra

    0.0

    0.5

    1.0

    1.5

    0 100 200 300 400 500 600

    Time (s)

    Signal

    S N S/N

    0.90 0.070 12.81

    Promediado por grupos (boxcar averaging)

    Suaviza las irregularidades de altafrecuencia en una onda de ms bajafrecuencia

    Se hace en tiempo real a medidaque el ordenador registra la seal

    Se emplea para seales complejasque varan rpidamente con el tiempo

  • 8/9/2019 Qumica Analtica Instrumental Umss

    22/100

    22

    Sensibilidad

    a) Calibrado

    S = mc + Sbl

    S = seal o respuesta del instrumento

    Sbl = seal del blanco

    c = concentracin de la muestra

    m = sensibilidad del calibrado (pendientede la curva de calibrado; no tiene en cuenta laprecisin de las medidas individuales)

    0

    20

    40

    60

    80

    100

    0 0 .2 0.4 0.6 0 .8 1

    Concentration (c )

    Signal(S)

    m2

    m1

    Sbl

    Sm1

    C

    Sm2

    b) Analtica

    Ss

    m

    : sensibilidad analtica

    sS: desviacin estndar de lamedida de la seal

    + No depende de los factores deamplificacin

    + Independiente de las unidades demedida de S

    - Depende de la concentracin [ss = f(C)]

    Lmite de deteccin (LOD) y de cuantificacin (LOQ)

    LOD: mnima concentracin o masa de analito que puede ser detectada por unmtodo instrumental a un nivel dado de confianza (95%)

    LOQ: mnima concentracin que puede ser fiablemente cuantificada

    LOD

    Seal analtica mnima detectable:

    Sm = Savg, bl + ksbl

    Sm: Seal mnima detectable

    Savg, bl: Seal promedio del blanco

    k: nmero entero (3)

    sbl: desviacin estndar del blancoConcentracin mnima detectable:

    m

    SSc blavg,mm

    m

    skc blm

    Lmite de deteccin (LOD) y de cuantificacin (LOQ) Intervalo dinmico de linealidad y lmite de linealidad (LOL)

    Concentration

    InstrumentResponse

    Dynamic Range

    cm

    LOL

    LOQ

    El intervalo dinmico se extiende desde el LOQ hasta el LOL

    m

    s10c blq

    LOQ

    Seal mnima cuantificable:

    Sq = Savg, bl + 10sbl

    Concentracin mnima cuantificable:

    Tema 3

    1. Espectroscopa UV-visible.

    2. Sistemas que absorben en el UV-visible.

    3. Ley de Beer.

    4. Instrumentacin.

    5. Mtodos y aplicaciones.

    Espectroscopa VIS - UV

    160 780

  • 8/9/2019 Qumica Analtica Instrumental Umss

    23/100

    23

    Ley de Beer: presupuestos bsicos

    1. La radiacin es monocromtica

    2. Las partculas absorben de modo independiente

    3. Seccin recta y uniforme de absorcin

    4. Los procesos de absorcin y desorcin de energa han de ser

    rpidos

    5. La degeneracin de la energa absorbida ha de hacerse por va no

    radiacional

    6. El ndice de refraccin del medio absorbente debe ser independiente

    de la concentracin

    Ley de Beer: deduccin

    d b

    b

    S

    P0

    P

    b = 10 mm

    Ley de Beer: deduccin

    d b

    b

    SP0

    P

    b [=] cm

    c [=] mol/L

    a = , absortividad molar; [=] L mol-1cm-1

    dP N (n de partculas absorbentes) P (n de fotones)

    dV = S db; dV [=] cm2 cm [=] cm3

    CdbS106,02310(L)dVmol

    tomos6,02310

    L

    molCN

    K'

    20323

    PCdbKPCdbK'ctePNctedPK

    bCKP

    dP;PCdbKdP

    bCKP

    Pln;dbCK

    P

    dPb

    0 0

    P

    P0

    Cb2,303

    K

    P

    Plog

    0

    AbsTlogP

    Plog

    0

    Abs = a b C

    Ley de Beer

    Ley de Beer: terminologa comn

    Ley de Beer: Absorbancia, Transmitancia y Absorcin

    T = P/Po

    %T = (P/Po) x 100

    A = -log T= abc

    %Absorcin = 100 - %T

    Ley de Beer: Prdidas de potencia radiante

  • 8/9/2019 Qumica Analtica Instrumental Umss

    24/100

    24

    Ley de Beer: Correccin de prdidas

    P1P P P1

    Muestra

    Blanco

    P1

    P0

    P

    P

    1

    01

    0

    1medida P

    PloglogTAbs;

    P'

    P'

    P

    PT

    Experimentalmente se miden slo potencias salientes

    ;P'

    P'T 1real

    Ley de Beer

    En un medio absorbente, la potencia decae exponencialmente con lalongitud de paso ptico

    P P1b1

    celda

    b

    Potencia

    P

    b1

    P1

    cb0 10PP

    Ley de Beer

    En un medio absorbente, la potencia decae exponencialmente con lalongitud de paso ptico

    P P1b1

    celda

    b

    Potencia

    P

    b1

    P1

    cb0 10PP

    P P2b2

    b2

    P2

    Ley de Beer

    En un medio absorbente, la potencia decae exponencialmente con laconcentracin.

    C

    Potencia

    P

    P P1C1

    P P2C2

    C1

    P1

    C2

    P2

    cb0 10PP

    Ley de Beer: Ejemplos

    Beer-Lambert plot for Parsol 340 in ethanol

    y = 13245x + 0.0351

    R2= 0.9995

    0

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1

    1.2

    1.4

    1.6

    0.00E+00 2.00E-05 4.00E-05 6.00E-05 8.00E-05 1.00E-04 1.20E-04

    [P340]/M

    absorbance

    T vs [P340] y = 0.9224e-30498x

    R2= 0.9995

    0

    0.1

    0.2

    0.3

    0.4

    0.5

    0.6

    0.00E+00 2.00E-05 4.00E-05 6.00E-05 8.00E-05 1.00E-04 1.20E-04

    [P340]/M

    T

    Parsol 340 (10-4M in MEOH)

    0

    0.2

    0.4

    0.6

    0.8

    1

    1.2

    1.4

    1.6

    1.8

    2

    220 270 320 370 420

    Wavelength/nm

    Absorbance

    Ley de Beer: ejemplos

    Concentracin

    Absorbancia CbAbs Se pueden encontrar valores elevados de

    hasta 105 L mol-1 cm-1 para la constante deproporcionalidad.

    Mexoryl SX

    HO3S

    O

    O

    SO3H

    O

    SO3H

    U VA U VA

    HO3S

    O

    0

    0.1

    0.2

    0.3

    0.4

    0.5

    200 250 300 350 400

    Wavelength/nm

    Absorbance

    max~45.000

  • 8/9/2019 Qumica Analtica Instrumental Umss

    25/100

    25

    Ley de Beer: aditividad

    nnnTotal

    nTotal

    cbcbcbcbA

    AAAAA

    ......

    ......

    333222111

    321

    Elucida cin de muestras b inarias oternarias de componentes absorbentes

    [N]b[M]b'A':''

    [N]b[M]bA':'

    ''N

    ''M

    'N

    'M

    Las absorbanciasson siempreaditivas

    ][Y][BiY][CuY][Bi][CuAbs 4745Y

    745BiY

    2745CuY

    3745Bi

    2745Cu

    7454232

    Ley de Beer: desviaciones

    Propias a la Ley Dependencia de respecto de n

    Interacciones moleculares

    Procesos no absorbentes

    Qumicas Equilibrios en disolucin

    Disolvente

    Impureza de reactivos

    Presencia de interferencias absorbentes

    Instrumentales Radiacin policrmatica

    Radiacin parsita o dispersa

    Ruido instrumental

    Anchura de rendija

    Ley de Beer: desviaciones

    Propias a la Ley A no tiene limitacin con respecto a b

    Se pueden emplear celdillas pequeas para analitosconcentrados y celdilla ms largas para muestras msdiluidas.

    Si A = 0,410 en una celdilla de 1,0 cm, entonces:

    Si b = 2,0 cm, A = 0,820

    Si b = 0,1 cm, A = 0,041

    Concentraciones > 0,01 M alteracin del proceso de absorcin individual

    Ley de Beer es una ley lmite

    Un aumento de la concentracin del buffer o del disolvente tiene un efectosimilar

    Si la modificacin de C implica cambio de n, entonces vara

    (n) = [n/(n2 + 2)2]

    Ley de Beer: desviaciones

    Propias a la Ley A no tiene limitacin con respecto a b

    Se pueden emplear celdillas pequeas para analitosconcentrados y celdilla ms largas para muestras msdiluidas.

    Si A = 0,410 en una celdilla de 1,0 cm, entonces:

    Si b = 2,0 cm, A = 0,820

    Si b = 0,1 cm, A = 0,041

    Concentraciones > 0,01 M alteracin del proceso de absorcin individual

    Ley de Beer es una ley lmite

    Un aumento de la concentracin del buffer o del disolvente tiene un efectosimilar

    Si la modificacin de C implica cambio de n, entonces vara

    (n) = [n/(n2 + 2)2]

    Ley de Beer: desviaciones

    Qumicas

    Reacciones del compuesto absorbenteprovocan el incumplimiento de la ley de Beer.

    2color1color

    InHHIn

    Ley de Beer: desviaciones

    Ejemplo: si Ka = 10-4

    CHIn [HIn] [In-]

    10-5 8.5x10-7 9.2x10-6

    10-4 3.8x10-5 6.2x10-5

    10-3 7.3x10-4 2.7x10-4

    CHIn

    Expected

    Actual

    2color1color

    InHHIn

    Estudiar el ej. 13.1 de las pginas 326-7 del Skoog

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    26

    Ley de Beer: desviaciones. Punto isosbstico

    Se observa un punto isosbstico cuando dos especies absorbentes en

    equilibrio, X e Y, tienen la misma absortividad molar a una longitud de onda. Si

    X e Y estn en equilibrio, para la longitud de onda del punto isosbstico, laabsorbancia total es independiente de las concentraciones relativas de X e Y.

    Rojo fenol

    -0.1

    0

    0.1

    0.2

    0.3

    0.4

    0.5

    0.6

    0.7

    0.8

    0.9

    400 450 500 550 600 650

    Wavelangth (nm)

    Absorbance El punto isosbstico puede

    llegar a ser una longitud deonda analticamente tilya que, a esta longitud deonda, se obtiene una curvade calibracin lineal sincontrolar las condiciones dela disolucin (disolucin notamponada).

    A = b ([HIn] + [In-])

    Ley de Beer: desviaciones.

    Instrumentales

    La absorbancia medida Am es:

    Slo cuando las absortividades molaresson iguales a las dos longitudes deonda, y , la expresin anterior sesimplifica a:

    Efecto de la radiacin policromtica

    En la prctica, el monocromador deja pasar una banda de radiacin.

    Ley de Beer: desviaciones.

    Instrumentales

    Efecto de la radiacin policromtica

    La ley de Beer se cumple cuando la anchura de paso de banda delmonocromador es

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    Error fotomtrico

    Tomadas en conjunto estas

    fuentes de ruido se concluye que

    la mejor zona para trabajar es

    la que corresponde a

    transmitancias intermedias.

    Especies absorbentes

    * y n *alta energa, bajas

    - * < 185 nm (UV de vaco)

    - n * = 150 250 nm

    - Difciles de medir

    n * y * 200 700 nm

    - Son las transiciones msimportantes y tiles enespectroscopaVis-UV

    - Absortividades molares ():n * 101 102 L cm-1 mol-1

    * 103 104 L cm-1 mol-1

    Especies absorbentes

    Formaldehdo

    Especies absorbentes

    Chromophore Example Excitation max

    , nm Solvent

    C=C Ethene * 171 15,000 hexane

    CC 1-Hexyne * 180 10,000 hexane

    C=O Ethanaln * *

    290180

    1510,000

    hexanehexane

    N=O Nitromethane n * *

    275200

    175,000

    ethanolethanol

    C-X X=BrX=I

    Methylbromide

    Methyl Iodide

    n *n *

    205255

    200360

    hexanehexane

    Cromforos comunes Cromforos comunes

    En la Tabla anterior se puede observar:

    1. Las bandas de absorc in intensas ( 104) representan transiciones demayor probabilidad (bandas *), mientras que las de baja intensidadcorresponden a transiciones n * (menos probables).

    2. Cada grupo funcional posee bandas de absorcin caractersticas, como loson tambin las intensidades de las bandas (medida por el valor de). Laabsorcin de radiacin Vis-UV es debida a los Cromforos ms que a lamolcula en su conjunto (IDENTIFICACIN DE GRUPOSFUNCIONALES en base a suy).

    3. La conjugacin de cromforos aumenta la intensidad y origina cambiosdrsticos en lamax de absorcin del cromforo.

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    Cromforos comunes

    La mayora de los espectros de compuestosorgnicos son complejos

    Transiciones electrnicas, vibracionales y/o

    rotacionales superpuestas

    Bandas de absorcin generalmente anchas

    El anlisis detallado e inequvoco no es

    posible, si bien se puede hacer una estimacin

    del tipo de enlaces involucrados

    Los efectos del disolvente y de los

    substituyentes complican la situacin (y

    tambin pueden aportar informacin)

    Cromforos comunes

    Cromforos y auxocromos

    Cromforos: Grupos funcionales que absorbenradiacin visible o delUV prximo ( >200 nm)cuandose hallan enlazados a unacadenaorgnica saturada no absorbente.

    Auxocromos: Grupos funcionales que poseen electrones de valencia no-enlazantes, n,que no absorben a > 220nm, pero muestran absorcin intensa de radiacin en el UVlejano(180-200 nm), debido a transiciones n *. Ej. -OH; -NH2; -Cl, etc.

    Si un grupo auxocromo se asocia a l a cadena de un cromforo se exalta el color delmismo, lo que en trminos espectroscpicos significa que la banda de absorcin delcromforo se desplaza a mas largas (Efecto Batocrmico o Desviacin hacia el

    Rojo) a la vez que aumenta suintensidad (Efecto Hipercrmico).Efecto Hipocrmico: Cuando disminuye la intensidad de unabanda.Si se desplaza la del mximo de absorcin de un cromforo a ms cortas (ej. al

    cambiar a un disolvente ms polar) se ha producido un Efecto Hipsocrmico oDesviacin hacia el Azul.

    La conjugacin de varios cromforos en una molcula produce un desplazamientoBatocrmico o Desviacinhacia el rojo dela del mximode absorcin. Ej.

    Nomenclatura

    Conjugacin de cromforos

    La multiplicidad degrupos cromforos tieneescasa influencia en ,pero incrementanotablemente

    La conjugacin producedeslocalizacin de electrones ,estabilizando *, por lo que laseal se desplaza a mayores (menor energa)

    La relevancia de la conjugacin de cromforos

    Naturaeza del

    desplazamiento

    Trmno

    descriptvo

    A mayores Batocrmico

    A menores Hipsocrmico

    A mayor absorbancia Hipercrmico

    A menor absorbancia Hipocrmico

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    Algunos grupos cromforos y auxocromos Substituyentes en los compuestos aromticos

    Los compuestos aromticos poseen tresconjuntos de bandas debido a transiciones *.

    Benceno:

    184 nm ( ~ 60.000)Banda E2 a 204 nm ( = 7.900)Banda B a 256 nm ( = 200)

    Efecto del disolvente

    1,2,4,5-tetracina

    Cada banda tiene una estructura finaasociada a transiciones vibracionalesque se reduce e incluso desaparece-en disolventes polares.

    Un incremento de la polaridad deldisolvente:

    n*: desplazamiento hipsocrmico

    n*: desplazamiento hipsocrmico

    *: desplazamiento batocrmico

    Disolventes ms frecuentes. Influencia de la polaridad

    Disolventes no polares respetan mejorla estructura fina del espectro

    CH3CHO

    Pigmentos orgnicos naturales

    -CAROTENO-CAROTENO

    LYCOPENOLYCOPENO

    Lantnidos y actnidos

    Los meta les de las series 4f y 5f absorbenmerced a transiciones que involucran a loselectrones f

    Apenas se nota efecto alguno por parte deldisolvente y de posibles ligandos, puesto quese trata de electrones de capas internas queestn protegidas.

    Los espectros de absorcin muestran sealesagudas y bien definidas.

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    Color de los iones sencillos Color de los metales de transicin

    La mayora de los ca tiones de los metales de transicin presentan color en disolucin.

    La absorcin de radiacin en el visible se debe a transiciones que involucran electrones den orbitales dincompletos.

    Las capas dson ms externas y estn ms expuestas que las f. Sus espectros son msanchos y la mx se ve influenciada por el disolvente y/o los ligandos.

    Efecto del campo ligando Absorcin por transferencia de carga

    Involucra la presencia de un aceptor (inmetlico) y de un donor (ligando) de e-.

    La absorc in de la rad iacin hace que setransfiera un e- desde el orbital del donor alorbital del aceptor.

    Se origina un estado exci tado en e l que ha

    tenido lugar una reaccin redox.

    Absortividades molares elevadas ( > 10.000)

    Ej.: Fe(SCN)2+ + h Fe2+ + SCN0

    Instrumentacin

    Cuatro tipos bsicos de diseos instrumentales

    Haz simple

    Doble haz resuelto en el espacio

    Doble haz resuelto en el tiempo

    Multicanal

    Haz simple

    Puede ser de unicanal o de barrido

    Instrumentacin

    Doble haz resuelto en el espacio

    Las seales de la celdilla de muestra y de la celdilla de referencia se midensimultneamente y se sustraen.

    Se precisan 2 detectores coste elevado

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    Instrumentacin

    Doble haz resuelto en el tiempo

    Es el diseo comercial ms frecuente

    Ventajas del doble haz frente al monohaz:

    Corrige las variaciones en la intensidad de la fuente

    Compensa la deriva del detector y del amplificador (resuelto en el tiempo)

    Compensa la variacin de potencia del haz con la longitud de onda

    Instrumentacin

    Puede hacer un registro (barrido) completo del espectro en 0,1 s

    Promedia la seal durante 1 s ms, para mejorar la S/N

    Pocos componentes pticos: mnima prdida de potencia del haz

    Lmpara de D2 y resolucin (ancho de banda) de 2 nm

    Multicanal

    Instrumentacin: fuentes ms utilizadas en el VIS-UV Instrumentacin: fuentes ms utilizadas en el VIS-UV

    Lmpara de Deuterio y su espectro

    Un filamento calentadorecubierto de xido proporcionaelectrones

    Lmpara defilamento deWolframio y suespectro

    Instrumentacin: celdillas ms comunes en el VIS-UV

    Volumen (L): 160, 100 or 50b = 10 mm

    Instrumentacin: detectores

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    Determinacin de constantes de equilibrio

    HInHInd

    f

    K

    K

    ][In

    [HIn]logpHpK;

    [HIn]

    ][In][HK dd

    Se miden las absorbancias de una disolucin de concentracin analtica (CT)conocida a tres pH diferentes.

    1. pH cido (HIn)

    A1 = HIn CTHIn

    2. pH bsico (In-)

    A2 = In- CTIn-

    3. pH intermedio (HIn + In-)

    CT = [HIn] + [In-] [HIn]

    A3 = HIn [HIn] + In- [ In-] [In-]

    Midiendo el pH de la disolucin ysustituyendo se obtiene Kd

    Determinacin del grado de disociacin

    cc)c(1

    HInHIndK

    1

    c

    )c(1

    cK

    222

    d

    A3 = HIn[c(1-)] + In- (c) = HInc HInc + In-c

    A3 = A1 + (In- c HIn c) = A1 + (A2 A1)

    12

    13

    AA

    AA

    Aplicaciones: anlisis cualitativo

    Anlisis de grupos funcionales (complemento de IR y RMN)

    Control de calidad: Ciertos productos tienen que ser transparentes al VIS-UV

    Ej.: El alcohol etlico de 96 puede contener benceno y debe purificarse

    hasta no absorber.

    Elucidacin de ismeros. Ej.: bifenilos cis-trans

    Ej.: Tautomera ceto-enlica del acetilacetato de etilo

    275 nm

    = 20 Lmol-1cm-1C

    O

    CH2

    C

    O

    OC2H5CH3

    C

    OH

    CH3 CHC

    O

    OC2H5245 nm Esta forma posee dobles enlaces conjugados

    = 18000 Lmol-1cm-1

    Aplicaciones: anlisis cuantitativo mediante valoraciones fotomtricas

    A (analito) + T (valorante) P (producto)

    ][Y][BiY][CuY][Bi][CuAbs 4745Y

    745BiY

    2745CuY

    3745Bi

    2745Cu

    7454232

    Aplicaciones: anlisis cuantitativo

    A. DIRECTO: Componente absorbente en el VIS-UV: Compuestos orgnicos

    B. INDIRECTO: Mucho ms comn en Inorgnica

    B.1) M + R P coloreado (complejacin y redox principalmente)

    M + n L MLn.

    Eleccin de L condicionada por: Selectividad, Sensibilidad y Solubilidad

    B.2) M + Sistema coloreado Decoloracin ~ C

    Aplicaciones: determinacin de macrociclos

    A class of biological molecules containing a ring of seven, fifteen, or any arbitrarily

    large number of atoms

    Important class is porphyrins which include the heme group and Chlorophyll a

    heme has a -* transiton in the blue region at 400 nm. Chlorophyll a -*

    transiton in the 650 nm region to give it its green color

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    Substance pH

    Phenylalanine 6 257 200

    Tyrosine 6 275 1.300

    Tryptophan 6 280 5.000

    Adenosine-5 -phosphate 7 259 15.000

    Cytidine-5-phosphate 7 271 9.000

    Uridine-5-phosphate 7 262 10.000

    Guanosine-5-phosphate 7 252 14.000

    (nm)max mol)(L/cm

    Aplicaciones: determinacin de aminocidos y nucletidos Aplicaciones: estudios conformacionales

    DNA melting: Hypochromism:

    Decrease in upon formation of double helix (H-bond)

    Muy til para caracterizar la conformacin de cidos nucleicos y protenas

    Binding of a lanthanidecomplex to anoligonucleotide

    Changes from

    form I to form II

    Recta de calibrado con patrones o estndares

    http://www.unav.es/quimicayedafologia/quimanal/monografias/estadistica/

    Recta de calibrado por adiciones estndar

    Se emplea en los casos en que los analitos se encuentran en matrices complejas en lasque es fcil que surjaninterferencias.

    1. Preparar varias alcuotas idnticas, de un volumen Vx, de la muestra desconocida

    2. Aadir a cada muestra alcuota un volumen creciente, Vs, de una disolucinestndar de concentracin conocida, Cs, del analito a medir.

    3. Enrasar todas las disoluciones a un volumen idntico, Vt.

    4. Hacer la medida instrumental de cada disolucin.

    5. Trazar la recta de calibrado

    6. Calcular la concentracin del analito, Cx, en la muestra.

    Vs

    InstrumentResponse(S

    ) m = y/x

    b = y-intercept

    (Vs) 0

    bmVS s

    Recta de calibrado por adiciones estndar

    t

    xx

    t

    ss

    V

    CkV

    V

    CkVS

    Donde:

    S seal analtica

    k constante de proporcionalidad

    Vs volumen de estndar aadido

    Cs concentracin del estndar

    Vx volumen de la muestra alcuota

    Cx concentracin del analito en la muestra

    Vt volumen total de las disoluciones diludas

    La expresin que nos da la seal analtica para cada adicin estndar es:

    Recta de calibrado por adiciones estndar

    Combinado las dos expresiones:

    t

    xx

    t

    ss

    V

    CkV

    V

    CkVS bmVS s

    x

    sx mV

    bCC

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    Procesos y escala de tiempos

    Excitacin vibracional: Principio clsico de Franck-Condon

    La transicintiene lugar con elncleoestacionario.

    Las transicionesms probablestienen lugarcuando la lneavertical toca lacurva superior.

    Diagrama de energa de Franck-Condon

    De acuerdo con este principio, la absorcin de un fotn es un proceso

    instantneo. James Frank se dio cuenta de lo obvio: los ncleos son

    enormemente pesados en comparacin con los electrones. Durante la absorcin

    de la radi acin, los que se pueden mover son los el ectrones, pero no los

    ncleos. El ncleo atmico, mucho ms pesado, no tiene tiempo de reajustarse

    durante la absorcin misma, pero s lo puede hacer despus, y esto es lo que

    produce las vibraciones.

    Franck-Condon principle Bandas de absorcin y emisin electrnicas

    495 nm 520 nm

    Stokes Shift is 25 nmFluorescein

    molecule

    FluorescneceIntensity

    Wavelength

    Es la diferencia de energa entre el pico de absorcin de menor energa

    y el de emisin fluorescente ms energtico.

    Desplazamiento de Stokes Espectros de absorcin y de emisin de la Quinina

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    Para una substancia pura presente en disolucin en una nica forma,

    su espectro es invariable e independiente de la fuente de excitacin

    El espectro de f luorescencia se encuentra a longitudes de onda

    superiores al de absorcin

    El espectro de fluorescencia viene a ser la imagen especular de la

    banda de absorcin de menor energa

    (especialmentesi lamolculaes rgida y no sufreequilibriosde disociacinen el estado excitado)

    Reglas generales del espectro de fluorescencia

    * rara vez conduce afluorescencia pues Eexc estan elevada que favorece Kd yKpd

    *: ms probable y tilpara fluorescencia. El cruceintersistema S*1 T*1 no esmuy probable debido a unadiferencia notable deenerga.

    n* tambin puedenoriginar procesosfluorescentes.

    Transiciones fluorescentes

    Tiempo que transcurre entre la absorcin y la emisin

    fotones emitidosfotones absorbidos=

    krkr + knr

    =

    1kr + knr

    =

    dpdiceciscf

    f

    kkkkkk

    k

    Rendimiento cuntico

    Tiempo de vida de la fluorescencia ()

    Rendimiento cuntico

    Proceso de absorcin eficiente (elevada absortividad)

    Fluorescencia

    Diferencias elevadas de energa entre el singlete y triplete excitados

    Diferencias energticas relativamente altas entre el singletefundamental y el excitado como para prevenir desactivaciones por vano radiacional

    Fosforescencia

    Pequeas diferencias energticas entre singlete y triplete excitados

    Baja probabilidad de transicin no radiacional entre el tripleteexcitado y el singlete fundamental

    Factores que afectan a la fotoluminiscencia

    Las molculas conalto grado dearomaticidad tiendena presentarfluorescencia

    La rigidez estructuralpreviene la prdidade energa pordesactivacionesrotacionales yvibracionales

    Fluorescencia y aromaticidad

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    Fluorescena

    No fluorescen

    Cruce intersistema muy favorecido

    Fluorescen

    Estructuras fluorescentes

    Fluoreno Bifenilo

    La rigidez molecular tiende a inhibir la conversin interna y por tantofavorece la fluorescencia

    Fluorescena Fenolftalena

    Efecto de la rigidez estructural

    Reacciones que incrementan (o disminuyen apagan-) la fluorescencia

    pueden tener utilidad analtica como, por ejemplo, las reacciones de

    complejacin de metales con ligandos orgnicos.

    N

    O

    Zn

    2

    Efecto de la rigidez estructural

    Com pue sto Frmula F (nm) IFrelativa

    Benceno C6H5 270-310 10Tolueno C6H5CH3 270-320 17Propilbenceno C6H5C3H7 270-320 17Fluorobenceno C6H5F 270-320 10Clorobenceno C6H5Cl 275-345 7Bromobenceno C6H5Br 290-380 5Yodobenceno C6H5I --- 0Fenol C6H5OH 285-365 18Fenolato C6H5O

    - 310-400 10Anisol C6H5OCH3 285-345 20Anilina C6H5NH2 310-405 20Anilinio C6H5NH3

    + --- 0

    cido benzoico C6H5COOH 310-390 3Benzonitrilo C6H5CN 280-360 20Nitrobenceno C6H5NO2 --- 0

    Substituyentes deslocalizadores de e- : incrementan F

    Substituyentes de primer orden (dirigen a o-p-) donan e- al anillo: F crece (-OH, -OCH3, -CH3)

    Substituyentes de segundo orden (dirigen a m-) retiran e- del anillo: F disminuye (-NO2, -COOH)

    Probabilidad de pre-disociacin

    Fluorescencia: heterotomos y substituyentes

    Efecto del tomo pesado

    Efecto del tomo pesado

    Disminucin de la Fluorescencia por favorecimiento delcruce intersistema o conversiones externas

    Los tomos pesados favorecen un fuerte acoplamiento spin/orbital ypor tanto un cambio de spin.

    Especiesparamagnticas

    El O2 disuelto es un fuerte inhibidor de lafluorescencia por favorecer el cruce intersistema (aligual que cualquier substancia paramagntica)

    Amortiguacin (quenching) de la fluorescencia

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    43

    M* M + h Fluorescencia

    M* + Q M + Q + Calor Quenching

    La concentracin del quencher est relacionada con la intensidadfluorescente por medio de la ecuacin de Stern-Volmer

    1F

    F0

    [NaI]

    1F

    F0

    Amortiguacin de la Fluorescencia del triptfano 0,1 mM enpresencia de concentraciones crecientes de NaI

    Ecuacin de Stern-Volmer Amortiguacin (quenching) de la fluorescencia

    Un incremento de la T provoca una disminucin de IF

    Un disolvente menos viscoso disminuye la IF

    En ambos casos se acenta la posibilidad de una conversin externa

    CBr4, C2H5I : disolventes que desactivan la fluorescenciayfavorecen la fosforescencia

    Efecto de la T y del disolvente

    Geometra de equilibrio del estadoexcitado

    A F

    Estado fundamental Franck-Condon

    Geometra de equilibrio delestado fundamental

    Estado excitadoFranck-Condon

    E

    E

    Es = f (polaridad de los estados fundamental y excitado)

    n*: estado fundamental ms polar.polaridaddisolvente: F

    *: estado excitado ms polar: polaridaddisolvente: F

    Efecto del disolvente

    NHH

    NHH

    NHH H

    -

    +

    -

    +:

    N+ H

    HH

    In anilinio: una sola forma resonante

    No se observa fluorescencia en el VIS

    Anilina: tres formas resonantes

    * ms bajo, menor E, mayor : seve fluorescencia en el VIS

    Necesidad de tamponar disoluciones patrn y muestra

    Efecto del pH

    El pH afecta tanto a la max como al F OH O + H+pK = 10

    max: 285-365 nm 350-400 nmF : 0,18 0,09

    SO3-

    NH

    Colorante ANS (8-anilin-naftalen sulfonato)

    F ~ 0 en disolucin acuosa

    F = 0,98 cuando est enlazado a regiones hidrofbicas

    de proteinas y membranas

    F = 16 ns, max = 454 nm

    N+

    H2N NH2

    CH2CH3

    Br-

    Bromuro de etidio

    F ~ 0 En disolucin acuosa

    Unido a cidos nucleicos

    F ~ 1, F = 26,5 ns

    Efecto de la adsorcin (inmovilizacin)

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    44

    P)(PK'F 0 bc

    0

    10

    P

    P:Beer

    3!

    c)b(2,303

    2!

    c)b(2,303cb2,303PK'Maclaurin)10(1PK'F

    32

    0bc

    0

    cb2,303PK'F 0

    cKF

    Si P0= cte:

    Si 2,303 b c < 0,05

    )10(1PK'F bc0 *

    Si b c > 1,5

    00

    bc PKPK'F110

    Existe un valor lmitesuperior para la F

    Efecto de la concentracin

    Auto-amortiguacin (self-quenching)

    Colisiones entre las molculas excitadas.

    Desactivacin no-radiacional aumentada

    Auto-absorcin

    (inner cell effect, inner filter effect)

    Solapamiento de las bandas de absorcin yde emisin: radiacin fluorescente que noabandona la celda.

    Trabajar con muestras diluidas (absorcin mx: 0,1)

    Autoabsorcin

    Luciferin + O2

    LuciferaseO C

    O O

    C R2

    R1

    SpontaneousCO2 + O C

    *

    R2

    R1

    Light

    Fluorescencia retardada

    Fluorescencia

    Rpida (10-8s)

    Fosforescencia

    Lenta (mss). Los procesoscolisionales competitivos

    pueden eliminarlacompletamente a no serque se eviten totalmente(p.e. en un vidrio)

    Extincin de la luminiscencia

    Se puede definir el tiempo de vida de lafluorescencia, f , como el tiempo que ha detrancurrir, desde que se apaga la fuente deexcitacin, para que la F se reduzca a 1/e(0,368) de la F original

    f

    tk

    0feFF

    f

    fff

    kk

    00

    0f

    k

    1keln

    ee;eFe

    F/e;F: ffff

    La F sigue una cintica de primer orden (en ausencia de otros procesos)

    Extincin de la fluorescencia

    Las medidas fluorimtricas estn limitadas por los blancos

    Disolventes e impurezas presentan corrientes de fondo 2 ns

    La seal del analito es discernible midiendo a tiempos ms largos.

    Time-resolved fluorimetry

  • 8/9/2019 Qumica Analtica Instrumental Umss

    45/100

    45

    Tiempo de vida elevado >500 s

    Gran desplazamiento Stokes

    Perfiles de picos de emisin finos La F est basada en procesos de transferencia de energa del ligando al catin central.

    Propiedades de los compuestos lantnidos de coordinacin Propiedades de los compuestos lantnidos de coordinacin

    naftilamina

    Seguimiento de una reaccin enzimtica

    Green Fluorescent Protein (GFP)procedente de las medusas es la msutilizada para seguir la expresin de genes.

    Marcadores fluorescentes

    N

    O

    N

    tryptophane = 280 nm

    eGFP = 488nm

    O

    N

    NO

    O O

    TDI = 630 nm

    N

    C NH2

    CNH2

    NH

    NH

    DAPI = 355 nm

    O

    O

    O

    N+

    N

    NH

    S TMR = 514 nm

    NN

    NH2

    O

    SO3-

    -O3S

    Cy5 = 630 nm

    +

    Fluorforos tpicos

    Compuesto (nm)

    Hidrocarburos aromticos

    Naftaleno 300-365

    Pireno 370-460

    Antraceno 370-400

    1,2-benzopireno 400-450

    Compuestos Heterocclicos

    Quinolina 385-400

    Sulfato de quinina 410-500

    7-hidroxicumarina 450

    3-hidroxi-indol 380-460

    Tintes

    Fluorescena 510-590

    Rodamina B 550-700

    Azul de metileno 650-700

    Coenzimas,cidos nuclicos, pirimidinas

    Adenina 380

    Adenosina trifosfato (ATP) 390

    Dinuclet id o d e l a n ic ot in am id a a de ni na (N AD H) 4 60

    Compuesto (nm)

    Esteroides

    Aldosterona 400-450

    Colesterol 600

    Cortisona 570

    Testosterona 580

    Vitaminas

    Riboflavina (B2) 565

    Cianocobalamina (B12) 305

    Tocoferol (E) 340

    Frmacos

    Aspirina 335

    Codena 350

    Estrgenos 546

    LSD 365

    Fenobarbital 440

    Compuestos naturales fluorescentes

  • 8/9/2019 Qumica Analtica Instrumental Umss

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    46

    Molculas cercanas pueden transferirse energa entre ellas.Esto sucede cuando el espectro de emisin de una solapa con el deabsorcin de la otra.

    Fluorescence Resonant Energy Transfer (FRET)

    FRET es una interacc in dependiente de la dis tanc ia entre los estados

    excitados de dos molculas. La transferencia resonante de energa tiene lugar

    cuando las molculas donora y aceptora estn a menos de 100 una de la

    otra.

    FRET vara con la potencia 1/6 de la separacin intermolecular, por lo que

    funciona muy bien a distancias similares a las dimensiones de macromolculas

    biolgicas.

    FRET puede utilizarse para desplazar espectralmente la emisin fluorescente

    de una combinacin molecualr.

    E l espectro de absorcin del aceptor debe so laparse con el espectro de

    emisin del donor.

    La transferencia de energa es por va no radiacional, es decir, el donor no

    emite un fotn quees captado por el aceptor.

    Fluorescence Resonant Energy Transfer (FRET)

    Fluorescence Resonant Energy Transfer (FRET)

    Wavelength

    Absorbance

    DONOR

    Absorbance

    Fluorescence Fluorescence

    ACCEPTOR

    Molecule 1 Molecule 2

    La transferencia de energa de resonancia puede tener lugar cuando loscompuestos donor y aceptor estn prximos (< 100 )

    La FRET puede ser til para lograr un espectro de fluorescenciadesplazado a superiores.

    D* + A D + A*Donor Aceptor

    Fluorescence Resonant Energy Transfer (FRET)

    Punto crtico: encontrar la pareja donor-aceptor adecuada

    h FRET h

    R = 1 -10 nm

    ~ 1/R6 kT1

    D

    R0

    r

    6

    La velocidad de transferencia est predicha por la teora de Frster

    R0 9.78103

    2QDJ()

    n4

    1

    6

    Fluorescence Resonant Energy Transfer (FRET) Fluorescence Resonant Energy Transfer (FRET)

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    47

    El grupo dansilo es muy apropiado para FRET con protenas que contienen triptfano.

    Puede unirse covalentemente a la proteina.

    Fluorescence Resonant Energy Transfer (FRET)

    triptfano -max F = 350 nm dansilo -max Abs = 340 nmmax F = 510 nm

    Ensayo de ruptura peptdica

    +

    proteasa

    La ruptura del pptido supone la prdidade FRET, desapareciendo la F del aceptor

    Fluorescence Resonant Energy Transfer (FRET)

    Fluorescence Resonant Energy Transfer (FRET) Fluorescence Resonant Energy Transfer (FRET)

    Bioluminiscence Resonance Energy Transfer (BRET)

    Sodio dodecil sulfato, SDS

    Luminiscencia en medios micelares

  • 8/9/2019 Qumica Analtica Instrumental Umss

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    48

    Luminiscencia en medios micelares Luminiscencia en medios micelares

    Concentracin micelar crtica (CMC) Concentracin micelar crtica (CMC)

    Solubilizacin micelar Solubilizacin micelar

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    49

    Fosforescencia Fosforescencia y cruce intersistema

    Espectros de absorcin y emisin Fosforescencia a temperatura ambiente (RTP)

    A + B C* C + h

    Deteccin de sangre con luminol

    C

    NH

    NH

    C

    NH2 O

    O

    O2/OH-

    NH2

    COO-

    COO-

    + h + N2 + H2O

    Barras luminosas con ester fenil oxalato

    Quimioluminiscencia Qumica forense

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    Instrumentacin: fluormetro de filtros simple

    Buena estabilidad

    Haz espacialmente difuso

    Baja intensidad

    Buena estabilidad

    Continuo desde 300 1.300 nm

    Alta intensidad

    Instrumentacin: fuentes

    Instrumentacin: espectrofluormetro

    Emission

    Instrumentacin: espectrofluormetro

    Instrumentacin: celdillas Instrumentacin: medida de la fosforescencia

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    52

    Money (helps?) world go round! Tema 5

    1. Principios de espectroscopa atmica

    2. Espectros atmicos de emisin y absorcin

    3. Trminos espectrales

    4. Anchuras de lnea

    5. Atomizacin por llama y electrotrmica

    6. Eleccin de las condiciones ptimas

    7. Atomizacin con fuentes de plasma

    8. Atomizacin con arco y chispa

    9. Instrumentacin

    10. Aplicaciones

    Emisin Atmica (EA, AE)

    Kirchoff y Bunsen pioneros, s XIX

    1957: Ramrez Muoz y Burriel Mart,Flame Photometry. A Manual of

    Methods and Applicationsprimer libro sobre fotometra de llama

    Absorcin Atmica (AA)

    60: Walsh (Australia) publica los primeros trabajos en absorcin atmicaapoyado por Alkemade y Milatz en Holanda

    Fluorescencia Atmica (FA, AF)

    1964: West y Winefordner comienzan a trabajar en FA con Zn, Hg y Cd

    Espectrometra Atmica

    E0

    E1

    E2

    UV-VIS

    E

    E0

    E1

    E2

    v0

    v1

    v2

    r0r1r2

    UV-VIS

    IR

    E

    Diagramas de energa atmico y molecular

    Atomic EmissionSpectroscopy (AES)

    Atomic AbsorptionSpectroscopy (AAS)

    Atomic FluorescenceSpectroscopy (AFS)

    Tipos de espectroscopias atmicas

    Na Mg+

    Modelos similares entre tomos,pero diferente espaciado

    El espectro inico es diferente alatmico

    Las separaciones se miden eneV

    1eV =1.602x10-19 J= 96. 484 kJ mol-1

    A medida que crece el nmerode electrones, el nmero deniveles se incrementa y losespectros de emisin se hacenms complejos

    Li 30 lneas, Cs 645 lneas, Cr 2277lneas

    Niveles de energa de Na atmico y del in Mg(II)

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    53

    Niveles de energa de Mg atmico Espectro de emisin del Na atmico

    Espectros de lneas: transiciones electrnicas puras

    Anchura de pico:

    Anchura expresada en unidades de frecuencia cuando la magnitud de la seales la mitad de la mxima

    Valores tpicos: centsimas de

    Espectros atmicos

    Ejemplos:carbono

    oxgeno

    nitrgeno

    Las posiciones de las lneas estn bien definidas y son caractersticas para cada elemento

    En espectroscopa atmica es factible hacer anlisis cualitativo

    Espectros atmicos o de lneas

    Espectro de emisin de salmuera

    1. Incertidumbre (ensanchamiento natural de lnea)

    ;1

    t ;1 t ;hht

    t

    hEhEt

    ;

    2. Efecto Doppler (agitacin trmica de los tomos que varan su posicin respecto delobservador)

    ;n

    c 2/1

    20

    1

    1

    V

    u

    V

    u

    0 : frecuencia de la radiacin observadacuando la fuente se mueve respecto al

    detector

    V=c/n : velocidad de la radiacin en un mediodado

    u : velocidad del movimiento de la fuentelumnica (tomo) hacia el detector

    Relativamente pequeo (~10-4) t2

    1 N2

    ht;

    2

    hEt h

    Ensanchamiento de las lneas atmicas

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    55

    Resonancia Lnea directanormal

    Por etapasnormal

    Resonanciaactivadatrmicamente

    Lnea directaactivadatrmicamente

    Anti-Stokes activadatrmicamente

    a a a

    aaa

    f f f

    fff

    t t

    t

    Mecanismos de fluorescencia atmica

    Desactivacin no-radiacional

    Radiaciones fluorescentes resonante y normal del Tl

    Fuente deexcitacin

    Sistemaatomizador

    Sistema deseleccinespectral

    Sistema dedeteccinelectrnica

    Componentes instrumentales bsicos

    Para que se cumpla la ley de Beer, laanchura de la lnea de l a fuente hadeser menor que la anchura de la lneade absorcin por parte del vaporatmico

    Absorcin atmica de una lnea de resonancia

    Absorcin atmica de una lnea de resonancia Atomizadores utilizados en espectroscopa atmica

  • 8/9/2019 Qumica Analtica Instrumental Umss

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    56

    Introduccin de la muestra

    a) Tubo concntrico: gas aelevada presin que arrastra lamuestra que sale del capilar

    b) Flujo cruzado: el aerosol seproduce por un flujo transversalal final del capilar

    c) Frita cermica: bombeo dellquido sobre un disco de fritacermica a travs del cual fluyeel gas; produce una niebla msfina.

    d) Babington: el lquido incidesobre la superficie esfricahueca que contiene un orificiopor el que fluye el gas.

    Nebulizadores neumticos: convierten la muestra en una nieblade finas gotculas(spray) queson portadas porel gashaciael atomizador.

    Introduccin de la muestra

    Nebulizadores ultrasnicos: la disolucin es nebulizada sobre una superficiepiezoelctricaproduciendouna niebla densa y homognea.

    Introduccin de la muestra

    Vaporizadores electrotrmicos:

    depsito de la muestra slida o lquida sobre lasuperficiede unresistor

    el paso de corrientea travsdel resistor produce laevaporacinde lamuestra

    u n g as (Ar) f lu ye a t ravs d el res is to r y p or ta l a mue st ra g aseosa h ac ia e l

    atomizador la seal obtenidaes transiente en lugar de contnua

    Introduccin de la muestra

    Generacin de hidruros:

    ti lparaAs, Sb, Sn, Se, Bi, Pb

    Reaccin modelo:

    3 BH4- + 3 H+ + 4 H3AsO3 3 H3BO3 + 4AsH3 + 3 H2O

    Sample

    Add

    NaBH4

    SbH3,AsH3

    SbH3 + Q Sb + 3/2 H2

    Introduccin de la muestra Introduccin de la muestra

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    57

    Directa

    Vaporizacin electrotrmica

    Ablacin por Arco o Chispa

    Ablacin por Lser

    Descarga luminiscente

    Introduccin de muestras slidas

    100g min-1

    Descarga luminiscente como fuente de plasma inico

    Introduccin de la muestra

    Chopper

    Instrumentacin bsica tpica en AA de llama (Flame Atomic Absorption)

    Es el componente ms importante y crtico

    El spray de muestra que llega a la llama sufre :

    vaporizacin, atomizacin y excitacin de los tomos

    El atomizador de llama consta de 2 componentes:

    NEBULIZADOR Y MECHERO

    Sistema atomizador: llama

    Nebulizador: transforma la muestra aspirada en unaneblina de gotas finsimas (spray)

    Mechero: genera la llama en cuyo seno se vaporiza,atomiza y excita la muestra.

    Dos tipos fundamentales de llamas:

    TURBULENTAS

    LAMINARES O PREMEZCLA (Premix)

    Sistema atomizador: llama

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    58

    Consumo total Premezcla

    Llama turbulenta, ruidosa

    Gran sensibilidad

    Pobre selectividad

    Llama laminar, silenciosa

    Gran selectividad

    Poca sensibilidad (3% aspirada)

    Mecheros

    Velocidad deaspiracin:

    ~5 mL/min

    Eficienica denebulizacin:

    ~5%

    Mecheros de premezcla

    Aspiracin de la muestra Procesos durante la atomizacin en llama

    Procesos durante la atomizacin en llama Composicin de las llamas

  • 8/9/2019 Qumica Analtica Instrumental Umss

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    59

    Zona primaria: 2 C2H2 + 2 O2 4 CO + 2 H2

    Zona secundaria: 4 CO + 2 H2 + O2 4 CO2 + 2 H2O

    Maxtemperaturelocation about1 cm abovethe primarycombustionzone. Opticalfocus to thisregion

    Estructura y temperatura de una llama Distribucin de metales en llama rica y pobre (lean) en combustible

    Ag (no fcilmente oxidable)

    Crecimiento contnuo con la altura de la

    llama

    Cr (forma xidos estables)

    Seal contnuamente decreciente

    Predomina la formacin del xido

    Mg Compromiso entre atomizacin y formacin

    de compuestos moleculares

    Eleccin juiciosa de la altura de llama

    adecuada en cada caso

    Efecto de la altura de observacin en la llama

    Perfil de la llama para la lnea del Ca en una llamaciangeno-oxgeno para diferentes caudales de muestra.

    Efecto de la altura y de la velocidad de flujo

    Lmpara de ctodo hueco (HCL)

    nodo: W, Ni, Zr

    V 300 V; I = 5 20 mA

    A mayor V, se obtiene intensidades ms elevadas

    Inconveniente: autoabsorcin

    Lmparas mixtas: Cr, Co, Cu, Fe, Mn, NiCa, Mg, AlFe, Cu, MnCu, Zn, Pb, Sn

    Seccin transversal de una HCL

  • 8/9/2019 Qumica Analtica Instrumental Umss

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    60

    Compartimento para las lmparas

    0,1 5 torr

    2450 MHz

    Tiempo de vida > 50 h

    10 veces ms intensa que HCL

    Inconveniente: inestabilidadrequiere enfriamiento

    til en Fluorescencia Atmica

    Disponible para:

    As, Bi, Cd, Cs, Ge,Hg, K, Pb, Rb, Sb,Se, Sn, Ti, Tl, Zn

    Lmpara de descarga sin electrodos (EDL)

    Corriente relativamente elevada: 0,5 A

    V 30 V

    Ar: 1-5 torr

    Filamento recubierto de xido de Ba, Ca, Sr

    Intensidad:TGL EDL > HCL

    EDLTGLnm 2/12/1 001,0

    TGL y EDL :

    se usan para As y Se

    < 200 nm

    Lmpara de gradiente de temperatura (TGL)

    Interferencias comunes a las tres

    Espectrales

    Fsicas

    Qumicas

    Variaciones en la T

    Ionizacin

    Interferencias en AA y FA:Dispersin de luz incidente (scattering)

    Interferencia tpica de FA:

    Amortiguacin de la fluorescencia (quenching)

    Interferencias en espectroscopas atmicas

    Espectrales: solapamiento de lneas.

    Ms crtico en EA. Casi inexistente en AA y poco comn en FA

    Fsicas: variacin de viscosidad y tensin superf icial que afectan a la nebulizacin.

    Afectan por igual a las tres tcnicas

    Variacin de T en el atomizador: supone una modificacin del nmero detomos excitados.

    Afecta especialmente a la EA

    Ionizacin: disminucin de la seal analtica por produccin de iones en lugar detomos

    M0 M+ + e- (especialmente en alcalinos y alcalinotrreos y en llamascalientes)

    Alternativa: supresores de ionizacin

    Interferencias

    Interferencia espectral : proximidad de lneas < 0,1

    Anlisis de Al: 3 082,15 , 3 092,7

    El V tiene una lnea a 3 082,11 interfiere la cuantificacin del Al?

    Ciertamente, NO

    Interferencias espectrales

  • 8/9/2019 Qumica Analtica Instrumental Umss

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    61

    Se usa como referencia una segunda lnea procedente de la fuenteque est muy prxima a la lnea de absorcin del analito. El analitono debe absorber a la longitud de onda de la lnea de referencia.

    Esta modalidad de correccin no se usa con mucha frecuencia debido a ladificultad de encontrar una lnea de referencia adecuada.

    Cualquier absorbancia observada para la lnea de referencia se asume quese debe a la dispersin/absorcin de especies moleculares (fondo). Restandoeste valor del obtenido en la lnea del analito, obtenemos la absorbanciacorregida debida nicamente a la especie atmica de inters.

    La lnea de referencia puede ser:

    Impureza de la lmpara

    Lnea del gas de relleno de la lmpara

    Lnea no resonante del propio elemento constitutivo de la lmpara

    Interferencias espectrales: correccin con dos lneas Interferencias espectrales: correccin con fuente continua

    =Boltzmann Equation:

    e-E

    kTN*N0

    g*g0

    =

    Number ofatoms at each

    energy Number oflevels at each

    energy(degeneracy)

    Temperaturein K

    1.38x10-23 J/KBoltzmannconstant

    (E* -E0)

    La temperatura modifica el nmero de tomos en los estados fundamental y excitado

    Efecto de la T en la espectrometra atmica

    2.510 K:

    6.000 K:

    N*/N0 = 1.01x10-5

    N*/N0 = 8.27x10-3

    N*/N0 = 1.05x10-5 (4% ms en el estado excitado para un incremento de 10 K en la T)

    La absorcin atmica se produce enla transicin desde el estadofundamental a un estado excitado

    La emisin atmica t iene lugar alpasar de un estado excitado alfundamental

    La emisin estar ms afectada por variaciones de la temperatura, pues elporcentaje de tomos en el estado excitado depende fuertemente de la T

    Ej.: Calcular el cociente N*/No para un tomo que tiene 2 niveles de energa (ambosmonodegenerados) que se diferencian en 3,9710-19 J/tomo que est expuesto a unallama a 2.500 , 2.510 y 6.000 K.

    2.500 K:

    Efecto de la T en la espectrometra atmica

    Interferencia de ionizacin

    Este problema se puede minimizar por la adicin de supresores de ionizacin,que son sustancias ms fcilmente ionizables y que producen una elevadaconcentracin de electrones en la llama que retrotraen o impiden la ionizacindel analito.

    Ej.: el K es un buen supresor para la determinacin de Sr.

    Interferencia de ionizacin

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    62

    Ciertos componentes de la muestra perjudican la eficiencia de la atomizacin del analito

    Ej.: PO43- y SO42- dificultan la atomizacin del Ca2+

    Solucin: aadir un agente liberador o protector

    AEDT: se une preferentemente al Ca2+, pero no impide laatomizacin (protector)

    La3+: reacciona preferentemente con el PO43-, liberando el Ca2+(liberador)

    Interferencias qumicas

    1. Formacin de compuestos poco voltiles Ca (PO43-, SO42-); Mg(Al)

    Alternativas:T y uso de agentes liberadores y protectores

    OMMO

    ClNaNaCl

    2. Equilibrios de disociacin

    Alcalinos: xidos poco estables predominio de lneas atmicas

    Alcalinotrreos: xidos relativamente estables predominio de bandas

    OxTiOx

    OxAlOx

    OxVVOx

    Ti

    Al

    Llamas ricas en combustible

    Interferencias qumicas

    Una nebulizacin deficiente puede permitir que lleguen gotas gruesas a lallama, que producen dispersin de radiacin, que resulta en:

    Disminucin de la potencia del haz radiante

    Seales falsas (espreas): absorciones inespecficas

    Desactivacin por va colisional con las molculas de los gases que se queman

    en la llama. Ar, N2 y gases nobles no amortiguan o apaganla fluorescencia.

    Alternativa: purga con Ar fondos muy bajos.

    Scattering (AA y FA)

    Quenching (AA y FA)

    stm

    watb4

    hANB

    2022

    kT

    h

    0

    2

    0

    2 eg

    g

    N

    N

    stm

    watNe

    g

    gb

    4

    hAB

    20kT

    h

    0

    202

    C

    QT

    F103N

    21

    0

    Winefordner

    F: Flujo de muestra lquida aspirada (mL/s)

    : eficiencia en la vaporizacin

    : eficiencia en la atomizacin

    Q: flujo de desaparicin del vapor en la llama

    T: temperatura absoluta

    C: concentracin analtica de la disolucin

    C)(wat/mIdB 2

    b

    V S

    N2 at*/m3

    d

    Efecto de la concentracin (EA)

    Lmpara 0 , I0

    b

    IAbs = K b N0 = K b C

    b

    V S

    d

    I0

    IF

    CNbfI4

    dI 0F0F

    f: fuerza del oscilador de la transicin implicada

    : depende de la geometra del ato mizador (llama, filamento..)

    F: rendimiento cuntico de la fluorescencia. Marcada

    dependencia de los gases de la llama (pueden quenchar)

    Efecto de la concentracin (AA)

    Efecto de la concentracin (FA)

    La corriente oscura se anula con un obturador

    El 100%T se ajusta con un blanco aspirado a la llama

    En AA tanto la luz procedente de la LCH como de la llama alcanzan el detector

    - medida de una seal pequea en el seno de un fondo grande

    - necesidad de restar el fondo (continuo) de la llama para recoger slo la

    seal analtica procedente de la lmpara (P/P0)

    Modulacin de la fuente

    Doble haz

    Instrumentacin: monohaz

    P

    tiempoLlama sola

    Llama + fuente

  • 8/9/2019 Qumica Analtica Instrumental Umss

    63/100

  • 8/9/2019 Qumica Analtica Instrumental Umss

    64/100

    64

    Sample

    Add

    NaBH4

    SbH3, AsH3

    SbH3 + Q Sb + 3/2 H2

    Ruta alternativa

    Apropiado para grupos IV, V, VI B:

    Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, formadores de hidruros

    gaseosos y muy voltiles a T ambiente

    3 BH4- + 3 H+ + 4 H3AsO3 3 H3BO3 + 4 AsH3 + 3 H2O

    Estos elementos en lallama tienden a formarcompuestos, no tomos

    Sus lneas deresonancia (

    190 nm)caen en la fuerteabsorcin del fondo dela llama (

  • 8/9/2019 Qumica Analtica Instrumental Umss

    65/100

    65

    Introduccin muestraSecado (~ 100 oC)Pirlisis (hasta cenizas)(500 -700 C)Paso de Ar

    0

    Atomizacin(2000 -2800 C)

    50 A, 20 s

    Operaciones en el horno de grafito

    0-20 mL muestra (disolucin o lodos); mg de slido (anlisis directo de slidos) Es comn utilizar un modificador de matriz que estabilizael analito o induce la volatilidad de la matriz Las muestras estn habitualmente acidificadas (para minimizar la adsorcin sobre los recipientes;

    Para muestras lquidas: 30-45 s secado suave 30-60s pretratamiento trmico(charring) 5 s (rampa vertical de temperatura) 10 s ciclo de limpieza (eliminacin de cualquier resto de la matriz)

    Time (s) typical

    Temperature(CO)

    10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

    Dry

    Thermal

    pretreatment, ash

    or Char

    Atomize

    1,000-2000 K/s

    Desolvate

    Remove matrix or promote reactions in ETA

    Atomize analyte

    110C

    500-700C

    2500-2700C

    Etapas de calentamiento

    3600 w; 10-12 V; 400-500 A

    Vida limitada: 200-300 firings

    Reproducibilidad exige usartandasde tubos

    Automatizacin sencilla:

    automuestreadores

    Posibles efectos memoria

    Rampas de calentamiento: hasta 1000 C/s

    Sensibilidad: LOD >103AA

    Atomizadores electrotrmicos: horno de grafito Automatizacin

    Equipo de AA en Quimedaf

    Composicin tpica del horno: Grafito

    GFAAS: Graphite FurnaceAtomicAbsorption Spectroscopy

    Longitud: 18 - 28 mm

    Volumen de muestra: 5 - 10