Fundamentos de Espectroscopía: Principios de Absorción, Emisión e Instrumentación

Métodos Ópticos y Espectroscopía

Los métodos espectroscópicos de análisis se basan en la medición de radiación electromagnética absorbida o emitida.

Principios Fundamentales

• Métodos de Absorción: Se basan en la disminución de la potencia de un haz de luz como consecuencia de su interacción con un analito en estudio.
• Métodos de Emisión: Utilizan la radiación emitida cuando se produce un aumento de la energía basal del analito por aumento de temperatura.

Los métodos espectroscópicos se clasifican de acuerdo a la región del espectro electromagnético que se utiliza: Rayos X, UV, visible, infrarrojo, microondas, radiofrecuencia, etc. Existen dos modelos para explicar el comportamiento de la radiación: el modelo ondulatorio y el modelo corpuscular.

Espectrometría de Absorción

Cuando un haz de luz pasa a través de una solución (Sn) capaz de absorber energía de determinada longitud de onda, parte de la energía es absorbida con la transferencia al compuesto absorbente, emergiendo dicho haz con una potencia disminuida.

Definición de Transmitancia

La transmitancia se define como la fracción de la radiación incidente transmitida por la solución y se expresa en porcentaje (%).

Las mediciones se realizan en espectrofotómetros que contienen una cubeta donde se coloca la muestra con una concentración determinada. Allí se produce la interacción entre la radiación y las paredes de dicho recipiente. Como resultado de la reflexión y la absorción, la potencia del haz de luz disminuye. Las pérdidas por refracción se pueden compensar comparando la energía del haz de luz que atraviesa una cubeta que solo contenga solvente (Sv).

Ley de Beer

La Ley de Beer establece que la concentración de una solución es directamente proporcional a la intensidad de la energía radiante absorbida e inversamente proporcional al logaritmo de la energía radiante transmitida.

• Las mediciones en las zonas del visible y UV proporcionan información cuantitativa sobre moléculas orgánicas, inorgánicas y bioquímicas.
• La absorción en infrarrojo se emplea para la determinación de la estructura de compuestos orgánicos e inorgánicos.

Instrumentos de Medición Espectroscópica

Los espectrofotómetros constan de varios componentes esenciales:

1. Fuente de Energía

Está compuesta por una lámpara de filamento de tungsteno, que es útil como fuente del espectro continuo de energía desde 360 a 950 nm.

2. Selector de Longitud de Onda

Pueden ser de rango pequeño, como filtros de vidrio o celulosa, o monocromadores que dispersan la energía radiante. La energía se dispersa por un prisma o red de difracción en un espectro, del cual la longitud de onda deseada se puede aislar mediante una ranura. La ranura determina el ancho de la banda de luz que será seleccionada.

3. La Cubeta

Puede ser un tubo de hemólisis o de caras paralelas de cuarzo, vidrio óptico o poliacrilato.

4. Detectores de Energía Radiante

Los hay de dos tipos:

• Fotocélula: Es una lámina de Cobre (Cu) sobre la que se ha depositado un material semiconductor, recubierta por una lámina de metal que sirve como electrodo colector. Cuando el haz de luz incide, se produce una corriente eléctrica que se mide en amperios (A).

Evaluación Fotométrica

Conceptos de Calidad de Medición

• Precisión Fotométrica: Grado de repetición de las mediciones. Se calcula midiendo varias veces la absorbancia de una solución y calculando la imprecisión de las mediciones.

Causas de Aumento de Imprecisión:

1. Ruido instrumental.
2. Inestabilidad de la corriente de alimentación.
3. Mal ajuste de la cubeta en el portacubeta.

• Exactitud Fotométrica: Es la diferencia entre la absorbancia medida y la absorbancia teórica.
• Estabilidad Fotométrica: Se define como la variación del cero del instrumento en función del tiempo (t).
• Deriva: Es la variación de las lecturas de absorbancia hacia absorbancias más altas o más bajas durante un periodo de tiempo (t).
• Ruido: Es la falta de estabilidad en las lecturas de absorbancia.

Espectrometría de Emisión Catódica UV-Visible

Se emplea para el análisis cuantitativo y cualitativo de aproximadamente 70 elementos. Para el análisis cuantitativo, la determinación se lleva a cabo en un medio gaseoso donde los átomos individuales están separados unos de otros.

Atomización a la Llama

El método más utilizado es la atomización a la llama, donde la muestra es volatizada y descompuesta. Se calienta la muestra a altas temperaturas (1700 a 3150 ºC), produciéndose un cambio energético desde el estado basal a uno de mayor energía. Se genera un espectro de emisión único para cada elemento.

El atomizador de flama consiste en un nebulizador de tubos concéntricos en el cual la muestra líquida se succiona por un tubo capilar, por una corriente de gas a alta presión (P). La elevada presión del gas descompone al líquido en finas gotitas que son llevadas a la llama convertidas en aerosol. Este método es utilizado para análisis de elementos en líquidos y tejidos bioquímicos.

Para el análisis cuantitativo se utilizan espectrógrafos capaces de leer los registros de cada elemento.