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QUIMICA QUIMICA INSTRUMETAL IIINSTRUMETAL II
Departamento de Biología-Química Departamento de Biología-Química Amanda L. Chaparro G.Amanda L. Chaparro G.
2010-I2010-I
Introducción
1. CLASIFICACION DE LOS METODOS ANALITICOS
2. TIPOS DE METODOS INSTRUMENTALES E INSTRUMENTOS
3. SELECCION DE UN METODOANALITICO: CRITERIOS
4. INTRODUCCION A LA ESPECTROSCOPIA
CLASIFICACION DE LOS METODOS ANALITICOS
METODOS CLASICOS:– Separación del analito de la muestra:
» Precipitación» Extracción» Destilación
– Análisis Cualitativo: Identificación de los componentes de la muestra
» Color» Solubilidad» Olor» Punto de ebullición o fusión» Índice de refracción
– Análisis Cuantitativo: Identificación de la cantidad del analito» Medidas Gravimétricas» Medidas Volumétricas
CLASIFICACION DE LOS METODOS ANALITICOS
METODOS INSTRUMENTALES• Son métodos modernos de separación, cuantificación e
identificación de especies químicas• Se basan en fenómenos químico-físicos conocidos pero su
aplicación ha ido en paralelo al desarrollo de la electrónica.– Separación de mezclas complejas
» Cromatografía de gases» Cromatografía Liquida» Electroforesis
– Análisis Cualitativo y Cuantitativo: Se utilizan medidas de propiedades físicas:
» La Conductividad» El Potencial de electrodo» La absorción o emisión de la luz» La relación masa/carga» La Fluorescencia
Tipos de Métodos Instrumentales
Se basan en propiedades físicas que pueden utilizarse como señales analíticas en el análisis cualitativo o cuantitativo
Señales utilizadas en los métodos instrumentales:
PROPIEDADES METODOS INSTRUMENTALESEmisión de la Radiación Espectroscopia de emisión (Rayos X, UV, visible, de electrones)
Fluorescencia, Fosforescencia y Luminiscencia (Rayos X, UV y visible)
Absorción de la radiación Espectrometría y fonometría (Rayos X, UV, visible, IR); espectroscopia fotoacústica;resonancia magnética nuclear y espectroscopia de resonancia de espin electrónico.
Dispersión de la Radiación Turbidimetría; nefelometría, espectroscopia RamanRefracción de la Radiación Refractometría; interferometríaDifracción de la Radiación Método de difracción de rayos X y de electronesRotación de la Radiación Polarimetría; dispersión rotatoria óptica; dicroísmo circularPotencial Eléctrico Potenciometría; CronopotenciometríaCarga Eléctrica CulombimetríaCorriente Eléctrica Polarografía; amperometríaResistencia Eléctrica ConductimetríaMasa Gravimetría (microbalanza de cristal de cuarzo)Razón masa a carga Espectrometría de masasVelocidad de Reacción Métodos cinéticosPropiedades Térmicas Gravimetria y volumetria termica; calorimetria de barrido
diferencial; analisis termico diferencial; metodos de conductividad termica
Radiactividad Metodos de activacion y de dilucion isotopica
VENTAJAS DE LOS METODOS INSTRUMENTALES
Ahorran tiempoRequieren menos separaciones
químicasSon mas sensiblesSon seguros
En el principio, Dios creo el cielo y la tierra...
Entonces dijo Dios:” Que haya luz”Y hubo luz. Al ver Dios que la luz
era buena, la separó de la oscuridad….
(Genesis 1:1-3)
Making the light to work
Fuente de luz
Muestra
Detector
Instrumentos para el Análisis
Un instrumento para análisis químico debe:
convertir la información almacenada en las características físicas o químicas del analito en información que puede ser manipulada e interpretada por el ser humano.
El instrumento es un dispositivo de comunicación entre el sistema bajo estudio y el investigador.
Instrumentos para el Análisis
Para obtener información del analito es necesario proveerle un estímulo, generalmente en forma de energía electromagnética, eléctrica, mecánica o nuclear.
El estímulo sobre el sistema bajo estudio genera una respuesta que aportara información analítica.(Ej.)
Instrumentos para el Análisis
ESTIMULO RESPUESTA
Sistema bajo estudioFuente de energía Información analítica
Instrumentos para el Análisis
Un instrumento para una análisis químico suele estar constituido como máximo por cuatro componentes fundamentales:
Generador de señales Transductor de entrada o detector Procesador de señales Transductor de salida o dispositivo de lectura
Instrumentos para el Análisis
Principios de Análisis Instrumental. Skoog-Holler-Nieman. Pg. 4
Instrumentos para el Análisis
Selección de un método analítico
Es esencial definir con claridad la naturaleza del problema analítico:
1. Que exactitud y precisión se requieren?
2. De cuanta muestra se dispone?
3. Cual es el intervalo de concentración del analito?
4. Que componentes de la muestra interferirán?
5. Cuales son las propiedades físicas y químicas de la matriz de la muestra?
6. Cuantas muestras deben analizarse?
Parámetros de Calidad
Los parámetros de calidad son las características numéricas del
instrumento y permiten al químico reducir el nivel de elección del
método
Criterios numéricos para seleccionar métodos analíticos
Criterio y Parámetro de calidad1.Precisión
• Desviación estándar absoluta, desviación estándar relativa, coeficiente de variación, varianza.
1.Exactitud• Error absoluto sistemático, error relativo sistemático.
1.Sensibilidad• Sensibilidad de calibración, sensibilidad analítica.
1.Limite de detección• Blanco mas de tres veces la desviación estándar de blanco
1.Intervalos de concentración• Concentración entre el límite de cuantificación (LOQ) y el
límite de linealidad (LOL)1.Selectividad
• Coeficiente de selectividad
Selección de un método analítico
Otras características a tener en cuenta en la elección del método:
1. Velocidad2. Facilidad y comodidad3. Habilidad del operador4. Coste y disponibilidad de equipo5. Coste por muestra
Precisión: Concordancia de datos realizados de la misma forma.
Exactitud Mide el error sistemático, o determinado
de un método analítico. Exactitud = μ - xt
μ es la medida de la población para la concentración de analito de una muestra cuya concentración verdadera es xt
Requiere analizar estándares de referencia
Sensibilidad
• Definición general:Es la capacidad de un método o instrumento de discriminar entre pequeñas diferencias en la concentración del analito.
• Depende de:1. La pendiente de la curva de calibración.2. Reproducibilidad o precisión del sistema de
medida.
SensibilidadDefinición cuantitativa:– Sensibilidad de calibración (IUPAC):
Pendiente de la curva de calibración del analito de interés
S = mC + Sbl• S= Señal analítica• m= Pendiente de la recta de calibrado• C= Concertación• Sbl= Señal promedio del blanco
– Sensibilidad analítica (Mandel & Stiehler):γ = m/ss
• m= Pendiente de la recta de calibrado• Ss= Desviación estándar de las medidas
Limite de Detección
1. Definición:– Concentración o peso mínimo de analito que
puede detectarse para un nivel de confianza dado.
2. Depende de:– Relación entre la magnitud de la señal analítica
con el valor de la fluctuaciones estadísticas de la señal del blanco.
• La mínima señal analítica distinguible Sm se toma como la suma de la señal media del blanco Sbl mas un múltiplo k de la desviación estándar (sbl) del mismo:
Sm = Sbl + ksbl
• Según Kaiser, estadísticamente se considera que para k=3, el nivel de confidencia de detección es del 95%.
Limite de Detección
Limite de Detección
Sm = Sbl + ksbl
• Experimentalmente, Sm puede determinarse mediante 20 o 30 medidas del blanco en un extenso periodo de tiempo.
• El limite de detección es dado como:
Cm= (Sm - Sbl)/m
Ejercicio
Intervalo de Concentración Aplicable
Intervalo útil de un método analítico: intervalo entre la concentración mas pequeña con la que pueden realizarse medidas cuantitativas (LOQ-limit of cuantitation) hasta la concentración a la que la curva de calibrado se desvía de la linealidad.(LOL-limit oflinearity).
El limite inferior se estima como diez veces la desviación estándar cuando la concentración del analito es cero.
Para aplicación de un método analítico debe tener un intervalo de al menos dos ordenes de magnitud.
Intervalo de Concentración Aplicable
Selectividad Es el grado de ausencia de interferencias
debidas a otras especies contenidas en la matriz de la muestra.
Consideremos una muestra que contiene un analito A y dos interferentes potenciales B, C.
S= mAcA + mBcB + mCcC + Sbl
Selectividad
Definimos el coeficiente de selectividad de B con respecto a A como:
KB,A = m B/m A o KcA =mc/m A
S=m A( C A + KB,A C B + Kc, A C C) + Sbl
• Los coeficientes de selectividad pueden variar desde cero (No hay interferencia) hasta valores bastante superiores a uno.
• Un coeficiente es negativo cuando la interferencia causa una reducción en la intensidad de la señal del analito
Ejercicio
Calibración de los métodos instrumentales
Curvas de calibración
Método de las adiciones estándar
Método del estándar interno.
Curva de calibración
Se requieren varios estándares de concentraciones conocidas del analito de interés.
Se requiere un blanco que contenga los componentes de la muestra original excepto el analito
Se representa una gráfica de respuesta del instrumento vs concentración del analito.( método de mínimos cuadrados)
Curva de calibración
Método de las adiciones estándar
Se utiliza en muestras complejas donde los efectos de matriz son importantes.
Implica añadir uno o mas incrementos de una solución estándar a una alícuota de muestra.
El valor del volumen en la intersección de la línea recta con el eje-x es el volumen del reactivo estándar equivalente a la cantidad de analito en la muestra.
Método de las adiciones estándar
The actual concentration of the analyte in any given flask will be given by:
The instrumental response to the analyte will be R = (K)(concentration), so
Now set Csa = CstdVstd/Vflask.
Método del estándar interno
Un estándar interno es una sustancia que se añade a todas las muestras en una cantidad constante.
La calibración supone representar la razón entre la señal del analito y la del estándar interno como una función de la concentración del analito.
Método del estándar interno
El estándar interno (IS) puede compensar distintos tipos de errores indeterminados y sistemáticos.
Si el IS y el analito responden proporcionalmente a los errores instrumentales y fluctuaciones del método, la razón entre las señales es independiente de las fluctuaciones.
La mayor dificultad es encontrar un IS adecuado, con señal reproducible y que genere una señal similar a la del analito (Ej.)
Espectro electromagnético
Se denomina espectro electromagnético a la distribución energética del conjunto de las ondas electromagnéticas.
Referido a un objeto se denomina espectro electromagnético o simplemente espectro a la radiación electromagnética que emite (espectro de emisión) o absorbe (espectro de absorción) una sustancia. Dicha radiación sirve para identificar la sustancia de manera análoga a una huella dactilar. Los espectros se pueden observar mediante espectroscopios que, además de permitir observar el espectro, permiten realizar medidas sobre éste, como la longitud de onda, la frecuencia y la intensidad de la radiación.
Radiación Electromagnética
La radiación electromagnética es una onda de energía que esta compuesta por un campo magnético y un campo eléctrico. El campo eléctrico y el campo magnético son perpendiculares entre ellos a la dirección de propagación de la onda.
Espectroscopia La espectroscopia surgió con el estudio de la
interacción entre la radiación y la materia como función de la longitud de onda (λ). En un principio se refería al uso de la luz visible dispersada según su longitud de onda, por ejemplo por un prisma.
Espectroscopia Más tarde el concepto se amplió enormemente
para comprender cualquier medida en función de la longitud de onda o de la frecuencia. Por tanto, la espectroscopia puede referirse a interacciones con partículas de radiación o a una respuesta a un campo alternante o frecuencia variante (ν).
Una extensión adicional del alcance de la definición añadió la energía (E) como variable, al establecerse la relación E=hν para los fotones. Un gráfico de la respuesta como función de la longitud de onda (o más comúnmente la frecuencia) se conoce como espectro.
Espectroscopia La espectroscopia es el uso de la absorción,
emisión o dispersión de la radiación electromagnética por átomos o moléculas (o iones) para estudiar procesos físicos o para obtener información cualitativa o cuantitativa de estas partículas.
La interacción de la radiación con la materia puede causar redireccionamiento de la radiación y/o transiciones entre los niveles de energía de los átomos o moléculas.
Niveles de Energia (Energy Levels)
Espectroscopia• Absorption (Absorcion) :
Transition from a lower level to a higher level with transfer of energy from the radiation field to the atom or molecule.
• Emission (Emision) :Transition from a higher level to a lower level is called if energy is transfered to the radiation field, or nonradiative decay if no radiation is emitted.
• Scattering (Dispercion) :Redirection of light due to its interaction with matter, and may or may not occur with transfer of energy
La espectrometría Es la técnica espectroscópica para tasar la concentración o
la cantidad de especies determinadas. En estos casos, el instrumento que realiza tales medidas es un espectrómetro o espectrógrafo.
La espectrometría a menudo se usa en física y química analítica para la identificación de sustancias mediante el espectro emitido o absorbido por las mismas.
La espectrometría también se usa mucho en astronomía y detección remota. La mayoría de los telescopios grandes tienen espectrómetros, que son usados para medir la composición química y propiedades físicas de los objetos astronómicos, o para medir sus velocidades a partir del efecto Doppler de sus líneas espectrales.
Spectroscopy Spectroscopy is the use of the absorption,
emission, or scattering of electromagnetic radiation by atoms or molecules (or atomic or molecular ions) to qualitatively or quantitatively study the atoms or molecules, or to study physical processes. The interaction of radiation with matter can cause redirection of the radiation and/or transitions between the energy levels of the atoms or molecules.
Espectrometro• Un espectrómetro (también llamado espectroscopio o
espectrógrafo) es un instrumento óptico que se usa para medir las propiedades de la luz sobre una porción específica del espectro electromagnético. También es utilizado en los laboratorios de química para la cuantificación de sustancias y microorganismos.
Espectrometro Su utilidad es realizar análisis espectroscópicos
para identificar materiales.
La variable medida es generalmente la intensidad de la luz, pero también podría ser, por ejemplo, el estado de polarización.
La variable independiente es, por lo general, la longitud de onda de la luz, que suele expresarse como una fracción de metro, aunque a veces se expresa como una unidad directamente proporcional a la energía del fotón, tales como el número de onda o los voltios de los electrones (que tiene una relación recíproca a la longitud de onda).
Espectrometro Un espectrómetro se usa en espectroscopia para producir
líneas espectrales y medir sus longitudes de onda e intensidades. Son instrumentos que funcionan en una amplia variedad de longitudes de onda, desde rayos gamma y rayos X hasta el infrarrojo lejano. Si la región de interés está restringida a un rango cercano al espectro visible, el estudio se llama espectrofotometría.
En general, cada espectrómetro funcionará sobre una pequeña porción de este rango total debido a las diferentes técnicas usadas para medir las distintas porciones del espectro. Por debajo de las frecuencias ópticas (es decir, en el rango de las microondas y radiofrecuencias), el analizador de espectro es un dispositivo electrónico estrechamente relacionado.
Espectrofotómetro
Hay varios tipos de espectrofotómetros, puede ser de absorción atómica o espectrofotómetro de masa.
Este instrumento tiene la capacidad de proyectar un haz de luz monocromática a través de una muestra y medir la cantidad de luz que es absorbida por dicha muestra. Esto le permite al operador realizar dos funciones:
1. Dar información sobre la naturaleza de la sustancia en la muestra
2. Indicar indirectamente que cantidad de la sustancia que nos interesa está presente en la muestra
Componentes de un espectrofotómetro
Cubetas de espectofotometría. En un primer plano, dos de cuarzo aptas para el trabajo con luz ultravioleta; en segundo plano, de plástico, para colorimetría (es decir, empleando luz visible).
Componentes de un espectrofotómetro
Fuente de luz:
La misma ilumina la muestra.
Debe cumplir con las condiciones de estabilidad, direccionabilidad, distribución de energía espectral continua y larga vida.
Las fuentes empleadas son lámpara de tungsteno,
lámpara de arco de xenon.kl y lampara de Deuterio (D2).
Componentes de un espectrofotómetro
Monocromador: El monocromador aísla las radiaciones de longitud de onda
deseada que inciden o se reflejan desde el conjunto, se usa para obtener luz monocromática.
Está constituido por las rendijas de entrada y salida, colimadores y el elemento de dispersión.
El colimador se ubica entre la rendija de entrada y salida Es un lente que lleva el haz de luz que entra con una determinada longitud de onda hacia un prisma el cual separa todas las longitudes de onda de ese haz y la longitud deseada se dirige hacia otra lente que direcciona ese haz hacia la rendija de salida.
Componentes de un espectrofotómetro
Fotodetectores:
En los instrumentos modernos se encuentra una serie de 16 fotodetectores para percibir la señal en forma simultánea en 16 longitudes de onda, cubriendo el espectro visible. Esto reduce el tiempo de medida, y minimiza las partes móviles del equipo.
Componentes de un espectrofotómetro
Métodos espectrométricosSegún la naturaleza de la excitación medida:
El tipo de espectrometría depende de la cantidad física medida. Normalmente, la cantidad que se mide es una intensidad de energía absorbida o producida. Se pueden distinguir estos tipos de espectrometría según la naturaleza de la excitación:
Electromagnética. Interacciones de la materia con radiación electromagnética como la luz.
De electrones. Interacciones con haces de electrones. La espectroscopia Auger implica inducir el efecto Auger con un haz de electrones. En este caso la medida implica la energía cinética del electrón como variable.
De masa. Interacción de especies cargadas con campos magnéticos y/o eléctricos, dando lugar a un espectro de masas. El término "espectroscopia de masas" está anticuado, ya que la técnica es principalmente una forma de medida, aunque produzca realmente un espectro para la observación. Este espectro tiene la masa (m) como variable, pero la medida es esencialmente de la energía cinética de la partícula.
Acústica. Frecuencia de sonido. Dieléctrica. Frecuencia de un campo eléctrico externo. Mecánica. Frecuencia de un estrés mecánico externo, por ejemplo una torsión
aplicada a un trozo de material.
Métodos espectrométricosSegún el proceso de medida:
La mayoría de los métodos espectroscópicos se diferencian en atómicos o moleculares según si se aplican a átomos o moléculas. Junto con esta diferencia, se pueden distinguir los siguientes tipos de espectrometría según la naturaleza de su interacción:
De absorción. Usa el rango de los espectros electromagnéticos en los cuales una sustancia absorbe. Incluye la espectrometría de absorción atómica y varias técnicas moleculares, como la espectrometría infrarroja y la resonancia magnética nuclear (RMN).
De emisión. Usa el rango de espectros electromagnéticos en los cuales una sustancia irradia (emite). La sustancia primero debe absorber la energía. Esta energía puede ser de una variedad de fuentes, que determina el nombre de la emisión subsiguiente, como la luminescencia. Las técnicas de luminescencia moleculares incluyen la espectrofluorimetría.
De dispersión. Mide la cantidad de luz que una sustancia dispersa en ciertas longitudes de onda, ángulos de incidencia y ángulos de polarización. El proceso de dispersión es mucho más rápido que el proceso de absorción/emisión. Una de las aplicaciones más útiles es la espectroscopia Raman.
Tipos de espectrometríaESPECTROMETRÍA DE ABSORCIÓN
La espectrometría de absorción es una técnica en la cual la energía de un haz de luz se mide antes y después de la interacción con una muestra.
Cuando se realiza con láser de diodo ajustable, se la conoce como espectroscopia de absorción con láser de diodo ajustable.
También se combina a menudo con una técnica de modulación, como la espectrometría de modulación de longitud de onda, y de vez en cuando con la espectrometría de modulación de frecuencia a fin de reducir el ruido en el sistema.
Tipos de espectrometría
ESPECTROMETRÍA DE FLUORESCENCIA
La espectrometría de fluorescencia usa fotones de energía más elevada para excitar una muestra, que emitirá entonces fotones de inferior energía.
Esta técnica se ha hecho popular en aplicaciones bioquímicas y médicas, y puede ser usada con microscopía confocal, transferencia de energía entre partículas fluorescentes, y visualización de la vida media de fluorescencia.
Tipos de espectrometríaESPECTROMETRÍA DE RAYOS X Cuando los rayos X con suficiente frecuencia (energía)
interaccionan con una sustancia, los electrones de las capas interiores del átomo se excitan a orbitales vacíos externos, o bien son eliminados completamente, ionizándose el átomo.
El "agujero" de la capa interior se llena entonces con electrones de los orbitales externos.
La energía disponible en este proceso de excitación se emite como radiación (fluorescencia) o quitará otros electrones menos enlazados del átomo (efecto Auger).
La absorción o frecuencias de emisión (energías) son características de cada átomo específico. Además, para un átomo específico se producen pequeñas variaciones de frecuencia (energía) que son características del enlace químico.
Con un aparato apropiado pueden medirse estas frecuencias de rayos X características o energías de electrones Auger.
La absorción de rayos X y la espectroscopia de emisión se usan en química y ciencias de los materiales para determinar la composición elemental y el enlace químico.
Tipos de espectrometríaESPECTROMETRÍA DE RAYOS X La cristalografía de rayos X es un proceso de
dispersión. Los materiales cristalinos dispersan rayos X en
ángulos bien definidos. Si la longitud de onda de los rayos X incidentes es
conocida, se pueden calcular las distancias entre planos de átomos dentro del cristal.
Las intensidades de los rayos X dispersados dan información sobre las posiciones atómicas y permiten calcular la organización de los átomos dentro de la estructura cristalina.
Tipos de espectrometríaESPECTROMETRÍA DE LLAMA
Las muestras de solución líquidas son aspiradas en un quemador o una combinación de nebulizador/quemador, desolvatadas, atomizadas, y a veces excitadas a un estado electrónico de energía más alta.
El uso de una llama durante el análisis requiere combustible y oxidante, típicamente en forma de gases.
Los gases combustibles comunes que se usan son el acetileno (etino) o el hidrógeno. Los gases de oxidante suelen ser el oxígeno, el aire, o el óxido nitroso.
Estos métodos son a menudo capaces de analizar elementos metálicos en partes por millón, billones, o posiblemente rangos más bajos de concentración.
Son necesarios detectores de luz para detectar la luz con información que viene de la llama.
Tipos de espectrometríaESPECTROMETRÍA DE LLAMA
Espectrometría de emisión atómica. Este método usa la excitación de la llama; los átomos son excitados
por el calor de la llama para emitir luz. Este método suele usar un quemador de consumo total con una
salida de incineración redonda. Se utiliza una llama de temperatura más alta que la usada en la espectrometría de absorción atómica para producir la excitación de átomos de analito. Ya que los átomos de analito están excitados por el calor de la llama, no es necesaria ninguna lámpara elemental especial.
Puede usarse un policromador de alta resolución para producir una intensidad de emisión contra el espectro de longitud de onda por encima de un rango de longitudes de onda que muestran líneas de excitación de elementos múltiples. O bien puede usarse un monocromador en una longitud de onda determinada para concentrarse en el análisis de un solo elemento en una cierta línea de emisión.
La espectrometría de emisión de plasma es una versión más moderna de este método.
Tipos de espectrometríaESPECTROMETRÍA DE LLAMA Espectrometría de absorción atómica (a menudo llamada AA). Este método usa un nebulizador pre-quemador (o cámara de nebulización)
para crear una niebla de la muestra, y un quemador en forma de ranura que da una llama de longitud de ruta más larga.
La temperatura de la llama es lo bastante baja como para no excitar los átomos de la muestra de su estado basal.
El nebulizador y la llama se usan para desolvatar y atomizar la muestra, pero la excitación de los átomos de analito se realiza mediante lámparas que brillan a través de la llama en varias longitudes de onda para cada tipo de analito.
En la absorción atómica, la cantidad de luz absorbida después de pasar por la llama determina la cantidad de analito en la muestra.
Suele usarse un horno de grafito para calentar, desolvatar y atomizar la muestra con el fin de obtener una mayor sensibilidad. El método del horno de grafito también puede analizar algún sólido o muestras mezcladas. A causa de su buena sensibilidad y selectividad, es un método que todavía se usa para el análisis de ciertos microelementos en muestras acuosas (y otros líquidos).
Tipos de espectrometríaESPECTROMETRÍA DE LLAMA
Espectrometría de fluorescencia atómica. Este método usa un quemador con una salida de incineración
redonda. La llama se usa para solvatar y atomizar la muestra, y una lámpara emite luz a una longitud de onda específica en la llama para excitar los átomos de analito.
Los átomos de ciertos elementos pueden entonces fluorescer, emitiendo luz en diferentes direcciones.
La intensidad de esta luz fluorescente sirve para cuantificar la cantidad del elemento analizado en la muestra.
También puede usarse un horno de grafito para la espectrometría de fluorescencia atómica.
Este método no es tan común como el de absorción atómica o el de emisión de plasma.
Tipos de espectrometríaESPECTROMETRÍA DE EMISIÓN DE PLASMA
Es similar a la emisión atómica por llama, y la ha sustituido en gran parte.
* Espectrometría de plasma de corriente contínua (DCP). Un plasma de corriente contínua se crea por una descarga eléctrica entre dos electrodos. Es necesario un gas de apoyo al plasma, y el más común es el argón. Las muestras pueden ser depositadas en uno de los electrodos.
* Espectrometría de emisión óptica por descarga luminiscente (GD-OES)
* Espectrometría de emisión plasma-atómica acoplada inductivamente (ICP-AES)
* Espectrometría de ruptura inducida por láser (LIBS), también llamada espectrometría de plasma inducida por láser (LABIOS)
* Espectrometría de plasma inducida por microondas(MIP)
Tipos de espectrometríaESPECTROMETRÍA DE CHISPA O ARCO
Se usa para el análisis de elementos metálicos en muestras sólidas. Para materiales no conductores, se usa polvo de grafito para hacer conductora la muestra.
En los métodos de espectroscopia de arco tradicionales se usa una muestra sólida que es destruida durante el análisis. Un arco eléctrico o chispa se pasan por la muestra, calentándola a alta temperatura para excitar los átomos.
Los átomos de analito excitado emiten luz en varias longitudes de onda que pueden ser detectadas mediante métodos espectroscópicos comunes. Ya que las condiciones que producen la emisión por arco no son controladas cuantitativamente, el análisis de los elementos es cualitativo.
Hoy día, las fuentes de chispa con descargas controladas bajo una atmósfera de argón permiten que este método pueda ser considerado eminentemente cuantitativo, y su uso está muy extendido en los laboratorios de control de producción de fundiciones y acerías.
Tipos de espectrometríaESPECTROMETRÍA VISIBLE
Muchos átomos emiten o absorben la luz visible. A fin de obtener un espectro lineal fino, los átomos deben estar en fase gaseosa. Esto significa que la sustancia tiene que ser vaporizada.
El espectro se estudia en absorción o emisión.
La espectroscopia de absorción visible a menudo se combina con la de absorción ultravioleta (espectroscopia UV/Vis). Aunque esta forma pueda ser poco común al ser el ojo humano un indicador similar, todavía se muestra útil para distinguir colores.
Tipos de espectrometríaESPECTROMETRÍA ULTRAVIOLETA Todos los átomos absorben en la región ultravioleta (UV) ya
que estos fotones son bastante energéticos para excitar a los electrones externos. Si la frecuencia es lo bastante alta, se produce la fotoionización.
La espectrometría UV también se usa para la cuantificación de proteínas y concentración de ADN, así como para la proporción de proteínas y ADN en una solución.
En las proteínas se encuentran generalmente varios aminoácidos, como el triptófano, que absorben la luz en el rando de 280nm. El ADN absorbe la luz en el rango de 260nm. Por esta razón, la proporción de absorbancia 260/280nm es un buen indicador general de la pureza relativa de una solución en términos de estas dos macromoléculas.
También pueden hacerse estimaciones razonables de la concentración de ADN o proteínas aplicando la ley de Beer.
Tipos de espectrometría
ESPECTROMETRÍA INFRARROJA
La espectrometría infrarroja ofrece la posibilidad de medir tipos diferentes de vibraciones en los enlaces atómicos a frecuencias diferentes.
En química orgánica, el análisis de los espectros de absorción infrarroja indica qué tipo de enlaces están presentes en la muestra.
Tipos de espectrometría
ESPECTROMETRÍA RAMAN
La espectrometría Raman usa la dispersión inelástica de la luz para analizar modos vibracionales y rotatorios de las moléculas.
Las "huellas digitales" que resultan son una ayuda para el análisis.
Tipos de espectrometría
ESPECTROMETRÍA DE RESONANCIA MAGNÉTICA NUCLEAR (RMN)
La espectrometría de resonancia magnética nuclear analiza las propiedades magnéticas de ciertos núcleos atómicos para determinar diferentes ambientes locales electrónicos del hidrógeno, carbono, u otros átomos en un compuesto orgánico u otro compuesto.
Se usa para determinar la estructura del compuesto.
Tipos de espectrometría
ESPECTROMETRÍA DE FOTOEMISIÓN
La fotoemisión puede referirse a:
Emisión de electrones a partir de la materia después de la absorción de fotones energéticos (efecto fotoeléctrico).
Emisión de fotones a partir de los semiconductores y metales cuando los electrones que fluyen en el material pierden energía mediante deceleración o recombinación.
Tipos de espectrometría
ESPECTROMETRÍA MÖSSBAUER
La espectrometría de transmisión o conversión electrónica (CEMS) de Mössbauer prueba las propiedades de los núcleos de isótopos específicos en ambientes atómicos diferentes, analizando la absorción resonante de rayos gamma de energía característica, lo que se conoce como efecto de Mössbauer.
Tipos de espectrometríaOTROS TIPOS DE ESPECTROMETRÍA
Fotoacústica. Mide las ondas sonoras producidas por la absorción de radiación.
Fototermal. Mide el calor desarrollado por la absorción de radiación.
De dicroismo circular.
De actividad óptica Raman. Usa los efectos de la actividad óptica y la dispersión para revelar información detallada sobre los centros quirales de las moléculas.
De terahertzios. Usa longitudes de onda por encima de la espectrometría infrarroja y por debajo de las microondas o medidas de onda milimétricas.
De dispersión inelástica de neutrones, como la espectroscopia Raman pero con neutrones en vez de fotones.
De túnel de electrones inelásticos. Usa los cambios de corriente debidos a la interacción de vibraciones electrónicas inelásticas a energías específicas que también pueden medir transiciones ópticamente prohibidas.
Auger. Se usa para estudiar superficies de materiales a microescala. A menudo se usa en relación con la microscopía de electrones.
De cavidad en anillo.
Tipos de espectrometríaOTROS TIPOS DE ESPECTROMETRÍA
De transformación de Fourier. La transformación Fourier es un método eficiente para tratar datos de espectros obtenidos usando interferómetros. Casi toda la espectrometría infrarroja (FTIR) y la resonancia magnética nuclear (RMN) se realizan con la transformación de Fourier.
De tiempo resuelto. Se usa en situaciones donde las propiedades cambian con el tiempo.
Mecánica. Implica interacciones con vibraciones macroscópicas, como los fotones. Un ejemplo es la espectrometría acústica, que implica ondas sonoras.
De fuerza. Usa una técnica analítica basada en AFM.
Dieléctrica.
Infrarroja termal. Mide la radiación termal emitida por materiales y superficies, y se usa para determinar el tipo de enlaces presentes en una muestra, así como su ambiente reticular. Estas técnicas son muy usadas por los químicos orgánicos, mineralogistas y geólogos.
Absorption• When atoms or molecules absorb light, the
incoming energy excites a quantized structure to a higher energy level. The type of excitation depends on the wavelength of the light:– Electrons are promoted to higher orbitals by ultraviolet
or visible light.– Vibrations are excited by infrared light– Rotations are excited by microwaves.
Absorption• An absorption
spectrum is the absorption of light as a function of wavelength.
• The spectrum of an atom or molecule depends on its energy level structure, and absorption spectra are useful for identifying of compounds.
Absorption
• Measuring the concentration of an absorbing species in a sample is accomplished by applying the Beer-Lambert Law.
Beer-Lambert Law• The Beer-Lambert law (or Beer's law) is
the linear relationship between absorbance and concentration of an absorbing species. The general Beer-Lambert law is usually written as:
A = ε * b * c
A = absorbance, ε =absorptivity coefficient (M-1 cm-1)b = the path length, c = the analyte concentration.
Beer-Lambert Law
A = ε * b * c
Perdidas por reflexiónPerdidas por reflexión
Perdidas por Dispersión
• Experimental measurements are usually made in terms of transmittance (T), which is defined as:
T = I / Io
I = The light intensity after it passes through the sample Io = The initial light intensity
• The relation between A and T is:
A = -log T = - log (I / Io)
Beer-Lambert Law
Modern absorption instruments can usually display the data as either transmittance, %-transmittance, or absorbance. An unknown concentration of an analyte can be determined by measuring the amount of light that a sample absorbs and applying Beer's law. If the absorptivity coefficient is not known, the unknown concentration can be determined using a working curve of absorbance versus concentration derived from standards.
Beer-Lambert Law
Working Curve
Limitations of the Beer-Lambert law
The linearity of the Beer-Lambert law is limited by chemical and instrumental factors. Causes of nonlinearity include:
• deviations in absorptivity coefficients at high concentrations (>0.01M) due to electrostatic interactions between molecules in close proximity
• scattering of light due to particulates in the sample • fluoresecence or phosphorescence of the sample • changes in refractive index at high analyte concentration • shifts in chemical equilibria as a function of concentration • non-monochromatic radiation, deviations can be minimized by using a
relatively flat part of the absorption spectrum such as the maximum of an absorption band
• stray light
EJERCICIOSEJERCICIOS
Ejercicios
Most of the light from a sodium vapor lamp has a wavelength of 589nm. What is the frequency of this radiation?
c=2.998x108 m/s
Ejercicios
An FM radio station broadcasts on a frequency of 91.5MHz. What is the wavelenght of these radio waves, in meters?
Which of these common street lamps emits light of the higher frequency: mercury vapor or sodium vapor?
Ejercicios
For radiation of wavelength 242.4nm, the longest wavelenght that will bring about the photodisociation of O2, what is the energy of one photon and a mole of photons of this light?
h = 6.626x10-34 J.sNA = 6.022x1023 mol-1
Ejercicios
Ener
gía Estados Excitados
Estado Basal
Absorción Emisión
Absorción de la Luz
Absorción : Incrementa la energía de la moléculaEmisión: Reduce la energía de la molécula
n1n2
n3
n4
Ener
gía
n1
n2
n3
n4
En = -Z2RH / n2
RH = 2.179x10-18 JZ = 1 para hidrogeno
Bohr model of the hydrogen atom
n∞
n5
Lyman series
Balmer series
Ejercicios
Determine the wavelength of the line in the balmer series of hydrogen corresponding to the transition from n=5 to n=2
Quantum Numbers
1. Principal quantum number (n)n = 1,2,3,……..
2. Orbital (angular-momentum) quatum number (l)l = 0, 1, 2, 3, ….., n-1
3. Magnetic quatum number (m)m = -l, -l+1, -l+2, …., 0, 1, 2, ……, +l
4. Electron spin quantum number (s)s = -1/2, +1/2
Emission• Atoms or molecules that are excited to high
energy levels can decay to lower levels by emitting radiation (emission or luminescence).
• For atoms excited by a high-temperature energy source this light emission is commonly called atomic or optical emission ( atomic-emission spectroscopy)
• For atoms excited with light it is called atomic fluorescence (atomic-fluorescence spectroscopy). For molecules it is called fluorescence if the transition is between states of the same spin and phosphorescence if the transition occurs between states of different spin. The emission intensity of an emitting substance is linearly proportional to analyte concentration at low concentrations, and is useful for quantitating emitting species.
Fluorescence• Fluorescence is a luminescence, i.e. optical phenomenon in
cold bodies, in which a molecule absorbs a high-energy photon, and re-emits it as a lower-energy (longer-wavelength) photon. The energy difference between the absorbed and emitted photons ends up as molecular vibrations (heat). Usually the absorbed photon is in the ultraviolet, and the emitted light (luminescence) is in the visible range, but this depends on the absorbance curve and Stokes shift of the particular fluorophore. Fluorescence is named after the mineral fluorite (calcium fluoride), which exhibits this phenomenon.
Phosphorescence• Phosphorescence is the result of a radiative (light emitting)
transition involving a change in the spin multiplicity of (in most cases) a molecule from excited state singlet to excited state triplet. This transition is quantum mechanically forbidden as is the transition that leads to light emission. These forbidden transitions are kinetically slow, which introduces a delay between photo-excitation (exposure to light of one wavelength) and emission (release of light of a different wavelength). So-called "glow in the dark" materials are phosphorescent materials with a very long (seconds, minutes, even hours) delay between excitation and emission. Most phosphorescent compounds have triplet lifetimes on the order of milliseconds.
Scattering• When electromagnetic radiation passes through
matter, most of the radiation continues in its original direction but a small fraction is scattered in other directions. Light that is scattered at the same wavelength as the incoming light is called Rayleigh scattering. Light that is scattered in transparent solids due to vibrations (phonons) is called Brillouin scattering. Brillouin scattering is typically shifted by 0.1 to 1 cm-1 from the incident light. Light that is scattered due to vibrations in molecules or optical phonons in solids is called Raman scattering. Raman scattered light is shifted by as much as 4000 cm-1 from the incident light.
Ultraviolet and Visible Absorption Spectroscopy (uv-vis)
• UV-vis spectroscopy is the measurement of the wavelength and intensity of absorption of near-ultraviolet and visible light by a sample. Ultraviolet and visible light are energetic enough to promote outer electrons to higher energy levels. UV-vis spectroscopy is usually applied to molecules and inorganic ions or complexes in solution. The uv-vis spectra have broad features that are of limited use for sample identification but are very useful for quantitative measurements. The concentration of an analyte in solution can be determined by measuring the absorbance at some wavelength and applying the Beer-Lambert Law.
Instrumentation
• The light source is usually a hydrogen or deuterium lamp for uv measurements and a tungsten lamp for visible measurements. The wavelengths of these continuous light sources are selected with a wavelength separator such as a prism or grating monochromator. Spectra are obtained by scanning the wavelength separator and quantitative measurements can be made from a spectrum or at a single wavelength.