métodos espectrocópicos de análisis

Métodos Espectroscópicos de Análisis Profesor: José Luis Todolí Torró Créditos teóricos: 6.0 “Ofrecer al alumno una visión detallada de los métodos de análisis basados en la espectroscopía atómica y molecular: fundamentos, instrumentación y aplicaciones” Objetivos 1.- Conocimiento de los procesos que tienen lugar cuando se produce la interacción entre la radiación y la materia 2.- Reconocimiento de las diferentes técnicas espectroscópicas para el análisis elemental y molecular 3.- Identificación de los componentes de un instrumento, su funcionamiento y su utilidad 4.- Conocimiento de las bases físicas sobre las que se fundamenta cada una de las técnicas espectroscópicas 5.- Asociación del tipo de información que puede ser suministrada por cada una de las técnicas estudiadas 6.- Conocimiento de las ventajas e inconvenientes de cada una de las técnicas 7.- Reconocimiento de la técnica espectroscópica más adecuada para una aplicación determinada Ubicación de las técnicas Espectroscópicas Propiedad medida 1.- Emisión de radiación 2.- Absorción de radiación 3.- Dispersión de radiación 4.- Refracción y difracción de radiación 5.- Rotación de radiación 6.- Potencial eléctrico 7.- Carga eléctrica 8.- Corriente eléctrica 9.- Resistencia eléctrica Métodos ópticos Métodos electroanalíticos 12.- Razón masa - carga Espectrometría de masas 13.- Velocidad de reacción Métodos cinéticos 14.- Propiedades térmicas Métodos térmicos 15.- Radiactividad Métodos radioquímicos Aspectos generales Métodos atómicos Métodos moleculares Métodos Espectroscópicos de análisis 1.- Introducción a la espectroscopía analítica 2.- Instrumentación general en espectrofotometría visible-ultravioleta 3.- Espectroscopía atómica en llama: absorción y emisión 4.- Espectroscopía de absorción atómica sin llama 5.- Espectroscopía de emisión atómica en plasma 6.- Espectroscopía de fluorescencia de rayos X 7.- Espectroscopía de absorción molecular visibleultravioleta. Fluorescencia 8.- Espectroscopía de absorción infrarroja y espectroscopía Raman TEMA 1: Introducción a la espectroscopía analítica 1.- Estructura atómica. 2.- Nomenclatura de estados atómicos. 3.- Estados fundamentales y excitados. Reglas de Hund. 4.- Los espectros atómicos. 5.- Emisión y absorción de radiación. 6.- Ley de Maxwell – Boltzmann. 7.- Anchura y fuentes de ensanchamiento de las líneas espectrales. 8.- Modo de trabajo en las técnicas espectroscópicas. Parámetros analíticos. 9.- Criterios analíticos de selección de una técnica espectroscópica. 1. Estructura atómica Números cuánticos n: número cuántico principal l: momento angular orbital (l < n) ml:número cuántico magnético orbital s: momento angular intrínseco ms:número cuántico de spin Valores 1, 2, 3, 4... 0,1,2...n-1 l, l-1...,0,...-l 1/2 + 1/2, -1/2 Símbolo K, L, M, N... s, p, d, f... s, px, py, pz,.. Ψ(r,θ, φ)=R(r)P(θ)F(φ) θ mp r + φ - n número cuántico principal me R(r) P(θ) F(φ) Existe solución si y sólo si Existe solución si y sólo si Existe solución si y sólo si l número cuántico orbital ml número cuántico magnético n = 1,2,3… l= 0,1,2…n-1 m1=-l,-l+1,…+l Números cuánticos para átomos con varios electrones (acoplamiento LS) Número Descripción cuántico L Momento angular orbital total determina la magnitud del momento angular orbital. Valores permitidos Símbolos L = l1 + l2, l1+l2-1,...⎢ l1-l2 ⎢ 0=S 1=P 2 = D, etc. ML Momento magnético total, describe la orientación del vector momento angular. ML = Σ (ml)i 2L + 1 valores posibles S Número cuántico de spin total, describe la magnitud del momento angular de spin. S = s1+s2, s1+s2-1,... ⎢ s1-s2 ⎢ 2S+1 = singulete = doblete MS Número cuántico de spin magnético, describe la orientación del vector momento angular de spin. MS = Σ (ms)i 2S + 1 valores posibles J Número cuántico angular total, determina la magnitud del momento angular total del átomo. J = L+S, L+S-1, ..., ⎢ L-S ⎢ MJ Número cuántico magnético total, describe la orientación del vector momento angular total. MJ = J, J-1, ... -J 2J + 1 valores posibles Explicación vectorial del acoplamiento LS → → → → J=L+S j ( j + 1) η J = S 1 s= 2 → J → L → S → → → J=L+S → 1 3 s=− mj = l = 1 2 2 1→ mj = → J 2L S l=1 → L 3 1 j=1 j = número cuántico 2 mj = − 2 2 magnético angular 3 3 m 1 j =1− 3 1 1 m j = ; ;− ;−2 total m j = ;− 2 2 2 2 2 2 j= L = L( L + 1) η; S = S ( S + 1) η 2. Nomenclatura de estados atómicos n 2S + 1 2S+1 LJ Símbolos de los términos (sin J) Estados (con J) Multiplicidad del término (número de niveles que provienen de un término) 1: Singulete 4: cuartete 2: doblete 5: quintete 3: triplete 6: sextete Configuración 1s2 2s2 2p1 3d1 Electrones “s”: l = 0; L = 0 S S = 0 (2S+1= 1) 1S Electrones “p y d”: l = 1 y 2; L = 3,2, 1, 0 S, P, D y F S = 0, 1 (2S + 1 = 1, 3) 1P, 3P, 1D, 3D, 1F y 3F Origen de los términos para el átomo de carbono: 1s2 2s2 2p2 2 e- y 3 orbitales (px, py, pz) ml1 ml2 ML ms1 ms2 MS Término 1 1 2 1 0 1 1/2 1/2 1/2 -1/2 -1/2 1/2 -1/2 1/2 -1/2 1/2 1/2 1/2 -1/2 -1/2 1/2 -1/2 1/2 -1/2 1/2 -1/2 1/2 -1/2 -1/2 1/2 -1/2 1/2 -1/2 1/2 -1/2 -1/2 0 1 0 0 -1 1 -1 0 0 0 1 0 0 -1 0 2m! = 15 1 (2m − n)!n! 0 n : número de electrones N º microestados = m : número de orbitales 0 -1 0 0 0 -1 -1 -1 -1 1D C 1s2 2s2 2p2 1S 1D 3P -2 3P , 3P , 3P y 1S , 2 2 1 0 0 1S 0 1D 2 3P 2 3P 1 3P 0 1D 3P 1D, 3P 3P 3P 3P 1D, 3P 1S 3P 1D, 3P 3P 1D CONFIGURACIÓN TÉRMINOS Electrones equivalentes 1S s2; p6; d10 3P; 1D; 1S p2; p4 2D d; d9 4F; 4P; 2H; 2G; 2F; 2D; d3; d7 2P CONFIGURACIÓN TÉRMINOS Electrones no equivalentes 1S; 3S ss 1P; 3P sp 1D; 3D sd 3D; 1D; 3P; pp 1P; 3S; 1S Subcapas cerradas (ms1=1/2; ms2=-1/2) Sólo términos 1S e- equivalentes: están en la misma subcapa (n y l iguales) 3. Estados fundamentales y excitados. Reglas de Hund El término más estable es por este orden: El de mayor multiplicidad de spin El de mayor L El de menor (o mayor) valor de J Término estado S fundamental n d 2 d1 ↑ d2 ↑ ↑ d3 ↑ ↑ ↑ d4 ↑ ↑ ↑ ↑ d5 ↑ ↑ ↑ ↑ ↑ 0 5/2 6 d6 ↑↓ ↑ ↑ ↑ ↑ 2 5 d7 ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ ↑ 3 3/2 d8 ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ ↑ 3 d9 ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑↓ ↑ 2 1/2 1 0 -1 -2 L 2 1/2 2 3 3 D 1 F 3 3/2 4 2 5 F 2 D S 2 1 D 4 F9/2 3 F 2 D 1.- Calcular S simplemente sumando los electrones desapareados asignándoles un valor de ½ a cada uno. 2. Calcular L: celda +2 hay 2 electrones L=2*2=4 celda +1 2 electrón, L = 1*2= 2 celda 0 hay 1 electrón, L = 0*1= 0 celda -1 hay 1 electrón, L = -1*1= -1 celda -2 hay 1 electrón, L = -2*1= - 2 Valor total de L = +4 +2 +0 -1 -2; L=3. 1 4 6 9 Configuraciones Configuracionesdd1, ,dd4, ,dd6yydd9→ →términos términosen enestado estadofundamental fundamentalDD 2 3 7 8 Configuraciones, Configuraciones,dd2, ,dd3, ,dd7, ,dd8→ →términos términosen enestado estadofundamental fundamentalF. F. 5 Configuración Configuracióndd5→ →término términoSSen enestado estadofundamental. fundamental. 4. Los espectros atómicos Origen: transiciones de electrones de la capa exterior del átomo (VIS-UV) transiciones de electrones de capas interiores del átomo (RX) 1 K 0 2 L 0 1 3 M 0 1 s s p s p 2 2 2 2 2 2 6 6 6 2 2 2 1 6 6 2 4 N 0 1 2 3 5 O 0 d s p d f s 5 10 2 2 6 5 1 Electrones Ópticos VIS-UV Electrones Ópticos RX Espectro atómico Información cualitativa (identificación de compuestos) Energía n Capa l Subcapa Al Mn Mo Información cuantitativa (determinación de la concentración) λ H 6 5 4 Li 6s 5s 4s 3 6p 5p 4p Na 6d 5d 4d 6f 5f 4f 6s 5s 3p 3s 3d 6p 5p 4p 4s 6d 5d 6f 5f 4d 4f Interpretación de los espectros Niveles energéticos Una energía = 0 significa que el electrón está libre del núcleo 3d 3p 2 2p Los niveles energéticos se aproximan cuando se alcanza la energía de ionización 3s 2s 1 P S =0 1 Singuletes 1 1 D 1 F 3 3 Tripletes Interacción Espín-espín P Interacción Orbital-orbital 2 1 0 3 2 1 4 3 2 D 3 D2 1 4p4d S =1 P1 F Interacción Espín-orbital 3 3 F3 P0,1,2 D1,2,3 3 F2,3,4 A partir del modelo de Bohr n2 Serie de Balmer (visible) Serie de Lyman (ultravioleta) 410.2 nm violeta n1 ⎡1 1⎤ ∆E = hν = 13.6 ⎢ 2 − 2 ⎥ eV ⎣ n1 n2 ⎦ c λ= ν n=3 n=2 434.1 nm violeta n=1 n=5 n=4 656.3 nm rojo Serie de Paschen (infrarrojo) 486.1 nm azul verdoso Diagrama de Grotrian para el Hidrógeno Hγ Hβ Hα λ 2S Energía de excitación, eV 8 7 6 1/2 n 2P 7 6 1/2,3/2 2D n 6 5 2 3/2,5/2 F5/2,7/2 n 4 5 5 Neta 12434 cm-1 12523 cm-1 4 15166 cm-1 Difusa 11690 cm-1, 11772 cm-1 3p 2P-3d 2D (rojo) 3 Principal 7645 cm-1, 7699 cm-1 3s 2S-3p 2P (amarillo) 3 n Fundamental 3 4 6 5 4 Diagrama de Grotrian para el sodio Espectros de absorción: Principal Espectros de emisión: Neta Difusa Fundamental La primera línea de la serie principal (s a p) se denomina línea de resonancia, ya que en ésta se ve involucrado el estado fundamental. Por ejemplo, las líneas NaI D: 3s2S½ - 3p2P3/2 l5889.953 y 3s2S½ - 3p2P1/2 l5895.923 Niveles electrónicos (Aluminio) 266.92 3 2 1 0 48279 29142 29066 29020 669.60 32437 32435 5/2 3/2 1/2 343.93 344.48 344.36 394.40 345.26 396.15 309.27 308.22 112 0 309.28 25347 3p 3s2 5p 3d 3p2 1/2 3/2 1/2 3p Átomo (Al0) 3/2 1/2 5/2 3/2 40277 40272 Conf. electrónica 3p Ión (Al+) 37579 37453 37392 J 1 167.08 Eexc (eV) 59849 669.87 • Reglas de selección de transiciones • • • Estados metaestables (Transiciones prohibidas) Las transiciones prohibidas se representan 5007 [OIII] entre corchetes: [OIII] 3P2 – 1D2 a 5007A. Las transiciones prohibidas entre niveles del mismo término son líneas de estructura fina: [OIII] 3P1 – 3P2 a 51.8µm. Transiciones semi prohibidas, cuando ∆S=1 y se representan por un corchete: CIII] 1S0-3P1 a 1909A. En algunos casos, no hay transiciones permitidas a un nivel energético inferior: especies metastables. Primer estado excitado: 1s22s2p Estado fundamental: 1s22s2 , 3P con J=1 y J=0,1,2 resp. 2s2p 1P Transición 2 Transición 1 2s2 1S (1909A) ∆S=1, ∆L=1 Semiprohibida 2s2p 3P 1P (977A) ∆S=0,∆L=1 Permitida • 1.- ∆l (∆L) = ± 1 2.- ∆s (∆S) = 0 3.- ∆J = 0 ó ± 1 4.- ∆MJ = 0 ó ± 1 Ejemplos: Ca 4 3P Ca 3 1D (e.f. 1S) 1S. 2s2 1S C2+ A1=100 s-1 A2=1.8x109 s-1 5. Emisión y absorción de radiación Ej Ej hν hν Ei Ei Emisión espontánea Absorción Ej hν hν hν Ei Emisión estimulada (fluorescencia) Absorción en llama (FAAS) Absorción molecular (UV-VIS) Absorción molecular (IR) Emisión en llama (FAES) Emisión en plasma (ICP-AES) Fluorescencia atómica (rayos X) Fluorescencia molecular (luminiscencia) LASER Ej; Número de átomos = Nj E Aji Bij Bji Ei; Número de átomos = Ni Iemisión = Aji Nj h ν número de transiciones para la emisión espontánea Iabsorción = Bij Ni ρ h ν Iemisión ind.= Bji Nj ρ h ν número de transiciones para la absorción número de transiciones para la emisión inducida ρ: densidad de energía (erg/cm3) ν: frecuencia de la radiación Nj y Ni: número especies en el estado energético superior “j” e inferior “i”, respectivamente dN j dt = − A ji N j ; 0 − A ji t j N j (t ) = N e dN j Nj = − A ji dt ; =N e 0 j − t τ ⎛ Nj ⎞ Ln⎜ 0 ⎟ = − A ji t ⎜N ⎟ ⎝ j⎠ τ: vida media del estado excitado = 1/Aji ó 1/(ΣAji + ΣAotros procesos) 6. Ley de Maxwell - Boltzmann Nj = Ni gj gi e − E j − Ei El número de átomos en el estado excitado aumenta: kT Al aumentar la temperatura Al disminuir la diferencia entre energías T: temperatura Ej, Ei: Energías de los dos niveles k: constante de Boltzmann gj, gi: nº niveles con la misma energía Al aumentar la longitud de onda log (Nj/Ni) 0 -5 Cs Na Ca -10 Zn -15 1500 2500 3500 4500 Temperatura (K) 5500 7. Anchura y fuentes de ensanchamiento de las líneas espectrales Anchura a mitad de altura ∆λ1/2 ó∆ν1/2 Anchura media I0 Tendencia asindótica a 0 I0/2 ν1 1. Ensanchamiento natural hν1 t1 hν2 Tiempo hν3 ν0 ∆E Ei − E j ν0 = = h h ν2 h ∆Ei ∆ti ≥ 2π hν4 tn ⎛ 1 1 ⎞⎟ ⎜ + ⎜ ∆t i ∆t j ⎟ ⎠ ∆ν N = ⎝ 2π ∆ti: tiempo que un átomo pasa en el estado excitado “i” 2. Ensanchamiento Doppler ∆ν D = ν c ν: frecuencia de la línea T: temperatura 2kT 1 = m λ λ: longitud de onda de la línea m: masa atómica del elemento Desplazamiento de átomos al azar λ-dλ λ+dλ 2kT m Perfil gaussiano 3.- Ensanchamiento Lorentz E1 E0 E1>E0 E2 E3 hν2 (∆ν L )b 1/ 2 ⎫ ⎧ ⎛ 1 1⎪ 2 ⎡ 1 ⎞⎤ ⎪ ⎟⎟⎥ ⎬ = ⎨σ N2 ⎢2πRT ⎜⎜ + M1 M 2 ⎠⎦ ⎪ π⎪ ⎝ ⎣ ⎭ ⎩ Aumenta con la presión Cambia ν: (∆νL)s ≈ 0.36 (∆νL)b Ensanchamiento combinado (Voigt profile) ∆νT ≈ (∆νL)b/2 + [((∆νL)b /2)2 + (∆νD/2)]1/2 E0 E0 hν3 σ: sección eficaz de choque N2: densidad partículas extrañas M: masa del átomo considerado (1) y del extraño (2) 4.- Autoabsorción Al aumentar más la T (energía): ensanchamiento Doppler Al aumentar la T (energía), aumenta la anchura ν1 ν0 ν0 Gradiente decreciente de T y energía ν1 Efecto Doppler y Lorentz más significativos; cae la altura del pico 5.- Efecto Zeeman MJ = +1 MJ = 0 MJ = -1 J=1 J=2 1.1.Zeeman Zeemannormal normal(Ca (Ca 7326 7326Å) Å) 1D -1 0 Pieter Zeeman Nobel prize 1902 (nunca supo porqué) B σ- π σ + 0 MJ = -1/2 ∆MJ -1 0 0 +1 +1/2 2S 1/2 +1 0 -1 σ- π− π+ σ+ -1/2 B ∆ν Sin aplicar campo magnético Espectros MJ +1/2 -1/2 2P 1/2 +1 1P 1 MJ = +1/2 J = 1/2 2.2.Zeeman Zeemananómalo anómalo(Na (NaDD11) ) MJ +2 +1 0 -1 -2 2 ∆MJ MJ = +2 MJ = +1 MJ = 0 MJ = -1 MJ = -2 Aplicando campo magnético 0 ∆ν 8. Modo de trabajo en las técnicas espectroscópicas. Parámetros analíticos Toma y preparación de la muestra Introducción de la muestra en el equipo Transferencia de energía a átomos/moléculas de la muestra Tratamiento de la radiación proveniente de muestra Medida de la energía de la radiación Adquisición y tratamiento de los datos Muestra Concentración de analito desconocida Patrones Concentración de analito conocida N o m b re S e n s ib ilid a d e n c a lib ra ció n Sensibilidad S ím b o lo D e fin ició n d e s c rip tiva P e n d ie n te d e la c u rv a d e M c a lib ra d o D e fin ició n m a te m á tic a (∂∂Sc )c C o n c e n tra ció n o m a s a q u e S e n s ib ilid a d e n a b s o rció n a tó m ic a d a lu g a r a u n 1 % d e MA a b s o rció n o 9 9 % d e tra n s m is ió n o A = 0 .0 0 4 3 6 5 ⎛ 0 . 0044 ⎞ ⎜ ⎟ m ⎝ ⎠ T = 99 % P e n d ie n te d e la c u rv a d e S e n s ib ilid a d a n a lític a c a lib ra d o d ivid id a p o r la γ d e s v ia ció n e s tá n d a r d e la M /S s s e ñ a l a n a lític a “Menor concentración de analito que se puede Límite de detectar en la muestra con un cierto nivel de confianza” detección (LOD) Recta de Límite de cuantificación calibrado S ksb LOD = m ksb sb Intervalo dinámico LOD c 9. Criterios analíticos de selección de una técnica espectroscópica. Precisión Variación del resultado - Corto plazo - Largo plazo Desviación estándar (absoluta y relativa) Varianza Coeficiente de variación exactitud Resultado verdadero Recuperación muestras certificadas Re cuperación = concentración obtenida *100 concentración verdadera Comparación estadística (F y t) Sensibilidad y límite de detección Determinación de concentraciones bajas de analito Intervalo dinámico Determinación de concentraciones muy diferentes de analito Inexistencia de interferencias causadas Selectividad por otros analitos Coste, rapidez, capacidad simultánea y multielemental, requirimientos estado de la muestra TEMA 2: Instrumentación general en espectrofotometría visible - ultravioleta 1.- Características de la luz como onda. 2.- Componentes de los fotómetros y espectrofotómetros. 3.- Fuentes de radiación. 4.- Difracción, refracción y reflexión de la luz. 5.- Monocromadores 5.1.- Filtros 5.2.- Prisma 5.3.- Redes de difracción 5.4.- Efecto de la anchura de la rendija 5.5.- Separadores de haces 5.6.- Fibra óptica 6.- Detectores. 7.- Sistemas integrados. 1.- Características de la luz como onda Campo magnético (B) Campo eléctrico (E) Dirección de propagación Longitud de onda (λ) Monocromática Polarizada Coherente Policromática No polarizada No coherente Colimada Divergente 2.- Componentes de los fotómetros y espectrofotómetros Absorción Fuente (lámpara o sólido incandescente) Cubeta de la muestra Selector de λ Detector Lectura y procesamiento de la señal Emisión Muestra Selector de λ Detector Lectura y procesamiento de la señal Detector Lectura y procesamiento de la señal Fluorescencia Muestra Fuente (lámpara o de láser) Selector de λ 3.- Fuentes de radiación Condiciones: • Generar un haz con suficiente energía • Haz con radiación de frecuencia (longitud de onda) adecuadas • Radiación emitida estable Fuentes continuas Fuentes incandescentes • Emisión de cuerpo negro • h νmáxima ∝2.82 kT; E α V4 Lámpara de filamento de Wolframio Filamento Fuentes de descargas • Descarga cátodo/ánodo • Tubo de descarga de H2 ó D2 • Útil de 180 a 375 nm (UV) Reflector parabólico Cátodo Ánodo Ventana Fuentes de líneas LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Características de un haz de luz láser: Monocromático Intenso Coherente Colimado Condiciones: Inversión de población (Nj>Ni) Niveles excitados metaestables Los fotones emitidos deben estar confinados Nivel de bombeo Nivel láser superior (Metaestable) Transición lenta Suministro de energía Transición Rápida Relajación rápida Emisión láser Relajación rápida Estado fundamental Nivel láser inferior (Metaestable) Espejo reflejante Espejo semitransparente Cavidad LASER conteniendo el medio activo (sólido, líquido o gas) Suministro de energía (luminosa, eléctrica, etc.) al medio activo e inversión de población Producción de emisión espontánea (líneas rectas) precursora de la emisión estimulada (ondas) Intensificación de la emisión estimulada y reflexión sobre el espejo reflejante Obtención del haz láser a la salida (derecha) de la cavidad Átomos, iones o moléculas en estado fundamental Estado metaestable superior Nivel energético de bombeo Emisión espontánea Emisión estimulada Tipo λ (µm) Potencia máxima (W) Aplicaciones He-Ne Gas 0.632 1.15; 3.39 0.000050.05 Medida de tamaño de partículas, comunicaciones, grabado de hologramas Cortado, marcado CO2 Gas 9.6; 10.6 50015000 Argón Iones gaseosos 0.488 0.514 0.005-20 HeCd Vapor metálico 0.441 0.325 0.05-0.1 Colorante Líquido 0.381 0.01 106 Rubí Estado sólido 0.694 Detección de contaminantes, espectroscopía Taladrado, holografía Nd-YAG Estado sólido 1.064 1000 2x108 Nd-Vidrio Estado sólido 1.064 5x1014 Diodos Semiconductor 0.330.40 0.6 1000 Taladrado, cortado, vaporización Taladrado, cortado, vaporización Lectura de códigos de barras, CDs, DVDs y comunicaciones Cirugía, medidas a distancia, holografía Espectroscopía, espectáculos luminosos Espectro emisión láser de Kr Radiación espectral relativa Láser Espectro emisión láser de Ar Longitud de onda (nm) Lámpara de cátodo hueco Ventana de cuarzo Cu Cátodo Gas de relleno (Ne (Ne o Ar) Ar) Ánodo Protección de mica Contactos eléctricos ánodo 1.1.-Aplicación Aplicaciónvoltaje voltaje(100-400 (100-400V) V) + + 2 eNe + e → Ne Ne + e- → Ne+ + 2 e2.2.-Colisión Colisiónee-- -cátodo cátodo + M(s) + M(s) +Ne Ne+ → →M(g) M(g) - (ó Ar+) 3.Colisiones M(g) e 3.- Colisiones M(g) - e (ó Ar+) → M(g) →M*(g) M*(g) M(g)++eerápidos rápidos + M(g) + Ne → M*(g) M(g) + Ne+rápidos rápidos → M*(g) 4.4.-Desactivación Desactivación(emisión) (emisión) → M*(g) M(g)++hhνν M*(g) →M(g) Descarga eléctrica Ne+ + eFotón específico del átomo excitado eÁtomo Átomo Cátodo hueco Bombardeo En Eo Excitación En Eo Relajación Emisión Lámpara monoelemental Intensidad de luz emitida Espectro obtenido con una lámpara de cátodo hueco Lámpara con seis cátodos Longitud de onda (nm) FUENTES Longitud de onda 100 Región del espectro 200 UV vacío 400 UV 700 1000 2000 VISIBLE IR Próximo 4000 7000 10000 20000 IR Lámpara de argón Lámpara de xenón Fuentes Continuas Lámpara de H2 ó D2 Lámpara de wolframio Emisor de Nernst (ZrO2 + Y2O3) Hilo de nicromo (Ni+Cr) Fuente Globar (SiC) De líneas Lámpara de cátodo hueco 40000 IR Lejano 4.- Difracción, refracción y reflexión de la luz 4.1.- Difracción de la luz Fuente x y Capacidad de la luz o de calquier otra onda (sonido, agua, etc.) de propagarse alrededor de un obstáculo. λ Cada punto del frente de ondas se convierte en una fuente de ondas secundarias Máximo de la onda Intensidad Patrón de intensidad de radiación cuando se ilumina una rendija estrecha con radiación homogénea Experimento Experimentode deYoung Young λ A Intensidad relativa X D B O C E Oscuridad Luz Distancia Y D B O C θ F E __ __ = BC __ senθ CF __ λ = CF = BC senθ (Haces en fase) nλ= ⎯BC senθ 4.2.- Refracción de la luz Las crestas de las ondas se estrechan debido a que la velocidad de propagación en agua es menor que en aire ρM1 < ρM2 θ1 M1 M2 Aire; nA = 1.0 θ2 M1 (aire) n vac Índice de refracción, ni ni = c/vi c: velocidad de la luz vi: velocidad de la radiación en el medio “i” Água; nW = 1.33 Aire; nA = 1.0 Cuando la luz entra de acuerdo con un ángulo, se tuerce (n2 )aire = (senθ1)aire senθ 2 = 1.00027 n aire Agua; nW = 1.33 césped asfalto CUESTIONES • Los haces de luz paralelos cruzan la interface de aire a dos medios diferentes: 1 y 2. ¿En qué medio viaja la luz a mayor velocidad? (1) medio 1 (2) medio 2 aire 1 • aire (3) En ambos a la misma 2 Para disparar al pescado con una pistola ¿dónde debo apuntar? • Para disparar al pescado con una pistola láser ¿dónde debo apuntar? (1) Directamente al pez (1) Directamente al pez (2) Ligeramente arriba del pez (2) Ligeramente arriba del pez (3) Ligeramente abajo del pez (3) Ligeramente abajo del pez 4.3.- Reflexión de la luz θ θ’ (n − n I r M1 I0 2 ) 1 = 2 (n2 + n1 )2 Reflexión especular M2 Reflexión difusa Reflexión interna Ángulo crítico aire n2 = 1.00 θ2=90° n1 = 1.50 vidrio La reflexión interna se da cuando la luz pasa de un medio con índice de refracción mayor a otro con índice de refracción menor Para el ejemplo anterior: ⎛ n2 ⎞ ⎛ θ c = arcsen⎜⎜ ⎟⎟ = arcsen⎜⎜ ⎝ ⎝ n1 ⎠ ⎞ ⎟⎟ = ⎠ 0% θ1=θc Ángulo crítico 100 % Ley de Snell : n1 sin θ1 = n2 sin θ2 Si n1 > n2 , cuando θ1= θc , θ2 =90°, y la ley de Snell da n1 sen θc= n2 sen 90°= n2 Si θ1 > θc, se producirá la reflexión total en la interfase entre medios Difracción Reflexión + Interferencia Refracción Ojo Haz de radiación Profundidad real Profundidad aparente 5.- Monocromadores Rendija de entrada Sistema de enfoque/ colimación Filtro Sistema dispersivo Sistema de enfoque Rendija de salida 5.1.- Filtros de luz Filtros de absorción 100 90 80 % transmitancia • Absorción fracción del espectro • Anchos de banda de 50 a 250 nm • Filtros de corte 70 60 50 40 30 20 10 0 5 7 9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 Longitud de onda (µm) Acoplamiento de filtros Filtros de interferencia θ Vidrio Lámina metálica Dieléctrico nλ’ = 2t λ = λ’ nD λ = 2t nD / n 1 2 A θ B 1’ 3 2’ 4 3’ 5 4’ 6 5’ 6’ λ’: longitud de onda de la radiación en el dieléctrico t: espesor del dieléctrico λ: longitud de onda transmitida por el filtro nD: índice de refracción del medio n: orden de interferencia • Anchos de banda de 10 nm • Mayores transmitancias que los de absorción • UV e IR 5.2.- Prismas Refracción en el interior de un prisma α Luz blanca (θ) i Funcionamiento de un prisma Dispersión angular: ∆(θ) 1.70 Vidrio duro 1.60 - nD dθ dθ dnD = * dλ dnD dλ Sal de roca 1.50 1.40 0 Red 200 λ, nm 300 200 Prisma vidrio λ, nm 200 Prisma cuarzo λ, nm 400 350 500 600 Cuarzo fundido ⏐ 200 700 ⏐ 400 800 400 450 500 600 800 Absorción 250 300 350 400 500 600 800 x (cm) ⏐ 600 Fluorita ⏐ ⏐ 800 1000 λ (nm) ⏐ 1200 Montaje de Bunsen Rendija de entrada Monocromadores de prisma Prisma Lente Lente α = 60º Rendija de salida Montaje de Cornu Prisma Rendija de entrada Rendija de salida Cuarzo Cuarzo levógiro dextrógiro Espejo θ Rendijas de entrada y salida Espejo Espejo colimador Montaje de Littrow y de enfoque Prisma 5.3.- Redes de difracción Redes de transmisión Redes de reflexión Características • De surcos • Holográficas • Distancia entre surcos, d • Densidad de surcos d (surcos mm-1) • Anchura • Número total de surcos • Ángulo β 1 2 Cara reflejante L 3 3 Condición de interferencia constructiva 2 i 1 θ mλ = d (seni ± senθ) B C D A d β λ = 500 nm θ = 25.2º λ = 600 nm θ = 33.2º Ejemplo: Red con 1200 surcos mm-1 Ángulo de incidencia (i) = 20º Longitud de onda = 200 nm ¿θ? m = 1; θ = -5.84º m = -1; θ = -35.6º m = 2; θ = 7.9º m = -2; θ = -55.3º Ejemplo: Red con 1200 surcos mm-1 Ángulo de incidencia (i) = 10º Orden de difracción = 1 Longitudes de onda = 500 y 600 nm ¿θ? mλ = d (seni + senθ) Ejemplo: Red con 1200 surcos mm-1 Ángulo de incidencia (i) = 10º Orden de difracción = 2 ¿Longitud de onda si θ = 25.2º? λ = 250 nm Solapamiento de órdenes dθ m = dλ d cos θ Dispersión angular: Dispersión lineal: Dispersión lineal recíproca: D −1 dy dθ D= =F dλ dλ D −1 Si θ < 20º d λ 1 dλ = = dy F dθ λ promedio Poder de resolución: R = ; ∆λ d = mF D −1 d cosθ = mF R = mN θ: ángulo de difracción m: orden de difracción d: espaciado entre surcos y: posición sobre el plano focal F: distancia focal N: nº de surcos de la red iluminados Redes de escalerilla Redes de escalera θ i mλ = 2d senθ D Característica Distancia focal, F Densidad de surcos Ángulo de difracción, θ Orden m (a 300 nm) Resolución (a 300 nm), λ/∆λ Dispersión lineal recíproca, D-1 −1 2d cosθ = mF Red de escalerilla Red de escalera 0.5 m 0.5 m 1200 surcos mm-1 79 surcos mm-1 10º22’ 63º26’ 1 75 62400 763000 16 nm mm-1 1.5 nm mm-1 Red de escalerilla 1200 surcos mm-1 i = 10º θ= 30º m λ = d (sen i + sen θ) m λ = 561 nm m = 1; λ = 561 nm m = 2; λ = 281 nm m = 3; λ = 187 nm Red de escalera 79 surcos mm-1 θ= 48º m λ = 2d sen θ m λ = 18813 nm m = 1; λ = 18813 nm m = 33; λ = 570 nm m = 67; λ = 281 nm m = 100; λ = 188 nm Todas aparecen bajo el mismo ángulo λ1 Dispersión cruzada Red de escalera (Separación de la radiación en sus distintas λ) λ2 λ3 Orden de difracción Prisma (Separación de las componentes de la radiación en sus distintos m) 240 118 - 260 108 - 200 240 300 98 - 220 280 340 320 260 300 280 88 400 Espectro bidimensional 220 380 360 340 320 78 500 480 460 440 420 540 520 500 68 620 600 580 560 58 48 - 800 780 760 740 720 700 680 660 640 Ángulo θ Montaje de Czerny-Turner Espejos cóncavos λ2 Plano focal Red de reflexión Rendija de salida Espejo esférico Rendija de entrada λ1 Montaje de Ebert 5.4.- Efecto de la anchura de la rendija λ1 Rendija de salida λ2 λ3 Rendija de salida Potencia radiante, P Anchura de banda efectiva λ1 λ1 λ2 λ3 λ2 λ3 Rendija de salida Anchura de las rendijas, nm Anchura de banda 0.3 - λ1 Monocromador de prisma 0.2 - 0.1 200 0 300 400 500 600 700 Longitud de onda, nm Rendija de salida λ2 λ3 Potencia radiante, P λ3 Potencia radiante, P λ2 Potencia radiante, P λ1 λ1 λ2 λ3 λ1 λ2 λ3 λ1 λ2 λ3 SELECTORES DE LONGITUD DE ONDA Longitud de onda 100 Región del espectro 200 UV vacío 400 UV 700 1000 2000 4000 7000 10000 20000 VISIBLE IR Próximo IR 40000 IR Lejano Prisma de fluorita Prisma de cuarzo o sílice fundida Prisma de vidrio Prisma de NaCl Continuos Prisma de KBr 3000 líneas/mm Redes de difracción de diversas líneas / mm Cuñas de interferencia Filtros de interferencia Discontinuos Filtros de absorción de vidrio 50 líneas/mm 5.5.- Separadores de haces Onda reflejada (50%) Onda transmitida (50%) Onda incidente Membrana recubierta Malla recubierta de aluminio n2 5.6.- Fibra óptica n3 θ n1 n3 senθ = n12 + n22 n3 < n2 < n1 La luz debe caer dentro de este ángulo para ser transportada. n2 2 × ángulo de aceptación 2 θaccept Ángulo de centro aceptación , θaccept cubierta aire nair = 1 θaccept = arc sen [ θc n1 n2 n12 + n22 ] Apertura numérica = NA = sen θaccept Condición de reflexión total ⎛ n2 ⎞ 2 1 − sen θ ≥ ⎜⎜ ⎟⎟ ⎝ n1 ⎠ 2 MATERIALES PARA COMPONENTES ÓPTICOS Longitud de onda 100 Región del espectro 200 UV vacío 400 UV 700 1000 2000 4000 VISIBLE IR Próximo 7000 10000 20000 IR LiF Sílice fundida o cuarzo Vidrio borax Vidrio de silicato NaCl KBr 40000 IR Lejano 6.- Detectores Características más importantes de los detectores: Eficiencia cuántica (QE) n º fotones det ectados QE = n º fotones incidentes Intervalo espectral cubierto Linealidad Detectores lineales: tubo fotomultiplicador, etc. Detectores no lineales: placas fotográficas Tiempo de respuesta Ruido Resolución espacial Capacidad de integración de la señal Fototubo de vacío Efecto fotoeléctrico Lente Energía necesaria para expulsar al electrón (φ) Rendija Prisma hν Metal ánodo cátodo Amplificador R Fuente (dc) Respuesta relativa Expulsión de electrones ½ m v2 Na Cs-Sb Cs2O 200 400 600 800 Longitud de onda, nm Fotón entrante Fotocátodo Ventana Tubo fotomultiplicador Dínodos Ánodo Electrodo De enfoque Resistencias Medidor Fuente potencia Capa delgada de plata Vidrio Selenio Plástico Hierro + - Respuesta relativa Célula fotovoltaica 100 550 Longitud de onda, nm Fotones Electrones Contacto positivo Silicio “n” Huecos Silicio “p” Dirección del flujo de la corriente Contacto negativo Flujo de electrones Una red de escalerilla tiene 1200 surcos por milímetro y un ángulo de brillo de 18.435º.Calcular: 1. La longitud de onda de brillo en primer y segundo orden 2. La dispersión angular en cada uno de los casos 3. La dispersión lineal recíproca si su distancia focal es de 30 cm Nota: Considérese que la radiación incide normalmente a la red. 1. 2. 3. θ = 2 β = 36.87º i = 0º d = 833.3 nm dθ m = dλ d cos θ D −1 d λ 1 dλ = = dy F dθ m λ = d (sen i + sen θ); λb = (d/m) sen2β PRIMER ORDEN: λb = 500 nm SEGUNDO ORDEN: λb = 250 nm PRIMER ORDEN: 1.5 x 10-3 rad/nm SEGUNDO ORDEN: 3 x 10-3 rad/nm PRIMER ORDEN: 2.22 nm/mm SEGUNDO ORDEN: 1.11 nm/mm Una red de difracción de escalerilla tiene una dispersión angular de 8.594 min/nm a su longitud de onda de brillo, que es de 300 nm, en primer orden. Sabiendo que el ángulo de incidencia de la radiación es de 0º con respecto a la normal a la red, calcular el número de surcos por milímetro de la red, su ángulo de brillo y la dispersión lineal recíproca del monocromador a 300 nm, siendo su distancia focal de 1m. ¿Cuál será el ángulo de emergencia de los fotones de 300 nm? dθ/dλ = 8.594 min/nm = 2.499 x 10-3 rad/nm 2.499 x 10-3 = m/dcosθ 300 = d senθ d = 5 x 10-4 mm; 1/d = 2000 surcos/mm θ = 36.86º; β = 18.43º D-1 = dθ/Fdλ= 0.4 nm/mm Ángulo de emergencia, θ = 36.86º Problem 33.45 Exercises The prism shown in the figure has a refractive index of 1.66, and the angles A are 25.00 . Two light rays m and n are parallel as they enter m the prism. What is the angle between them they emerge? n A A Solution na sin θ a 1.66 sin 25.0° ) = sin −1 ( ) = 44.6°. nb 1.00 Therefore the angle below the horizon is θb − 25.0° = 44.6° − 25.0° = 19.6°, and thus the angle between the two emerging beams is 39.2°. na sin θ a = nb sin θ b → θ b = sin −1 ( Exercises Problem 33.48 Light is incident in air at an angle on the upper surface of a transparent plate, the surfaces of the plate being plane and parallel to each other. (a) t Prove that θ a = θb' . (b) Show that this is true for any number of different parallel plates. (c) Prove that the lateral displacement D of the emergent beam is given by the sin(θ a − θ b' ) relation: d =t , θa n Q n’ n θb' θb P θ a' d cos θ b' where t is the thickness of the plate. (d) A ray of light is incident at an angle of 66.00 on one surface of a glass plate 2.40 cm thick with an index of refraction 1.80. The medium on either side of the plate is air. Find the lateral Displacement between the incident and emergent rays. Exercises Problem 33.48 Solution (a) For light in air incident on a parallel-faced plate, Snell’s law yields: n sin θ a = n' sin θ b' = n' sin θ b = n sin θ a' → sin θ a = sin θ a' → θ a = θ a' . θa n t n’ θb' Q (b) Adding more plates just adds extra steps in the middle of the above equation that P n θb always cancel out. The requirement of d L θ a' parallel faces ensures that the angle θn = θn' and the chain of equations can continue. (c) The lateral displacement of the beam can be calculated using geometry: t t sin(θ a − θ b' ) . d = L sin(θ a − θ ), L = →d = ' ' cos θ b cos θ b ' b (d) sin 66.0° n sin θ a ) = sin −1 ( ) = 30.5° 1.80 n' ( 2.40cm ) sin(66.0° − 30.5°) →d = = 1.62 cm. cos 30.5° θ b' = sin −1 ( TEMA 3: Espectroscopía atómica en llama: absorción y emisión 1.- Características de los sistemas atomizadores (llamas) 2.- Fuentes de emisión (lámparas) 3.- Introducción de muestras líquidas 4.- Procesos de formación de los átomos en la llama 5.- Equipos empleados 6.- Interferencias. Errores en la calibración 7.- Métodos para superar los errores en la calibración 8.- Determinaciones mediante FAAS 9.- Emisión en llama Fuente de emisión Introducción de la muestra líquida Generación de átomos/ absorción Detección Tratamiento datos Detector Fuente de emisión Tratamiento y procesamiento de la señal Llama Sistema de introducción de muestras 3.1.- Caraterísticas de los sistemas de generación de átomos (llamas) Llamas de difusión Llamas de combustión o premezcla Llama Caudal de gas Reacción de T V* (cm (l min-1) combustión (K) min-1) Combustible Oxidante Aire-propano 0.3-0.45 8 C3H8 + 5 O2 + 20 N2 2200 45 →3CO2 +4H2O+ 20N2 Aire-acetileno 1.2-2.2 8 C2H2 + O2 + 4N2 → 2450 160 2CO + H2 + 4N2 Aire-hidrógeno 6 8 2H2 + O2 + 4N2 → 2300 320 2H2O + 4N2 N2O-propano 4 10 2900 250 N2O-acetileno 3.5-4.5 10 C2H2 + 5 N2O → 2 3200 285 CO2 + H2O + 5N2 N2O-hidrógeno 10 10 2900 380 Llama C2H2 - aire Llama N2O - acetileno Llama C3H8 - aire Llama difusión H2 - aire Estructura de la llama Zona de combustión secundaria Región interzonal Zona de combustión primaria Mezcla combustible-oxidante 1.- Zona de combustión primaria. 2.- Zona intermedia. Inicio de reacciones de combustión (10 µs, 0.1 mm). Zona de cierto equilibrio termodinámico. Zona de medida 3.- Zona de combustión secundaria. Emisión de fondo A Ag Cr • Mg • • Cr(NO3)3 → Cr + O → CrO MgCl2 → Mg → MgO AgCl → Ag Altura, cm 3.2.- Fuentes de emisión (lámparas) Lámparas de cátodo hueco 1.1.-Aplicación Aplicaciónvoltaje voltaje(100-400 (100-400V) V) + Ar →Ar Ar+++22eeAr++ee-→ + 2.2.-Colisión ColisiónAr Ar+--cátodo cátodo + M(s) →M(g) M(g) M(s)++Ar Ar+ → + 3.(óAr Ar+)) 3.-Colisiones ColisionesM(g) M(g)--ee-(ó -→ M(g) →M*(g) M*(g) M(g)++eerápidos rápidos + M(g) → M*(g) M(g)++Ar Ar+rápidos rápidos → M*(g) 4.4.-Desactivación Desactivación(emisión) (emisión) M*(g) M*(g)→ →M(g) M(g)++hν hν Lámparas de descargas sin electrodos Espira Ventana de cuarzo Bulbo Cubierta de cerámica 1.1.-Aplicación AplicaciónRF RFóóMW MWintenso intenso 2.2.-Generación Generaciónee-libres libres(Tesla) (Tesla) eelentos → →eerápidos lentos rápidos - -- átomos 3.Colisión e 3.- Colisión e - átomosde degas gas + GG++eerápidos →G+ rápidos → G 4.4.-Volatilización Volatilizaciónelemento elemento M(s) M(s)+∆ +∆→ →M*(g) M*(g) M(g) → M*(g) M(g)++eerápidos rápidos → M*(g) 5.5.-Desactivación Desactivación(emisión) (emisión) M*(g) M*(g)→ →M(g) M(g)++hν hν 3.3.- Introducción de muestras líquidas Disolución Nebulizador Aerosol primario Superficies impacto Aerosol secundario Quemador Aerosol terciario Llama Sistema completo de introducción de muestras líquidas Nebulizador Nebulizador neumático neumático --Interacción Interacciónlíquido-gas líquido-gas --Aspiración Aspiraciónlibre libre --Concéntrico Concéntrico --Aerosol Aerosol grueso grueso Otros Otrosnebulizadores nebulizadores Efecto Venturi P 1 < P0 P1 P0 Gas π ( R 4 + 4ηR 3 / B) P Ql = 8ηL Ql: Caudal líquido de aspiración R: Radio interno del capilar η: Viscosidad de la disolución B: Coeficiente de fricción L: Longitud del capilar P: Caída de presión Cámaras de premezcla Reducción Reduccióndel deltamaño tamañode degota gota --Evaporación Evaporacióndisolvente disolvente --Coalescencia Coalescencia --Fraccionamiento Fraccionamientode degotas gotas Mezclado Mezcladode delos losgases gases Velocidad disolventeSStottot.. Velocidadde deaporte aportede deanalito, analito,W Wtottot,,yydisolvente Eficiencia Eficienciade detransporte transportede deanalito analitoεεnnyydisolvente, disolvente,εεss.. εεn ==W Wtottot/(c /(cQQl)l) n εεs ==SStot/Q /Ql s tot l Quemadores (mecheros) Quemadores ordinarios Quemadores de consumo total - εn = 100% - Gotas gruesas - Menores A Llamas apantalladas 3.4.- Procesos de formación de los átomos en la llama Cámara + llama Evaporación y Desolvatación Volatilización Disociación Excitación Llama Ionización Recombinación Gota → partícula seca MA (s) MA (g) MA(g) MO(g) M+A M + CO M + hν M* M M+ + eM + OH MOH+ + eM + H2O+ M+ + H2O + eM+O M + H2O M + OH MO MO + H2 MOH Número de átomos generados MA(g) M+A Fracción de átomos generados: Kd = nM n A nMA nM βa = nTot Número de átomos generados: N = 3 * 10 21 Eficiencia de la atomización: N = 3 * 10 ε a nR ε nQl QgTnT 100 c 21 εεa ==ββs ββv ββa a s v a ε a nR QgTnT Wtot (Wtot = ε nQl c 100 n: número de moles de analito totales en fase vapor (Tot), de analito que (M), de gas reductor en la llama (R), de gases totales en la llama (T) β: eficiencia de la desolvatación (s) y vaporización (v) Q: caudal de gas (g) de líquido (l) c: concentración de analito en la disolución ) Ley de Lambert - Beer (L-B) -dI = k I c db b I0 db I -dI I b ∫ ∫ − dI / I = kc db 0 I0 ⎛ I0 ⎞ log⎜ ⎟ = k ' bc ⎝I ⎠ A A == aa bb cc Incumplimiento de la ley de L-B Perfil de emisión I 0 + ∆I • Radiación espúrea A' = log I ' + ∆I • Anchura de los perfiles de emisión y absorción (k’) • Autoabsorción Wabs > 5 Wem Wabs < Wem Perfil de absorción 3.5.- Equipos empleados en FAAS Simple haz Doble haz Opaco Transparente Reflejante 3.6.- Interferencias en FAAS De volatilización (Químicas) ••Adición Adiciónde deelemento elementoreaccionante reaccionante ••Uso Usode dellamas llamasde deNN22O-C O-C22HH22 ••Uso Usode dellamas llamasmás másreductoras reductoras De ionización (Químicas) + ••MM→ →MM+++ee-(Na, (Na,K) K) ••Curvaturas positivas Curvaturas positivasaamayor mayorCC Espectrales ••Poco Pocoabundantes abundantes ••Al Al(308.215 (308.215nm) nm)yyVV(308.211 (308.211nm) nm) ••∆λ ∆λpara paraque quese seproduzcan produzcan<<0.01 0.01nm nm ••Emisión Emisiónmolecular molecular(óxidos, (óxidos,etc.) etc.) ••Absorciones no específicas Absorciones no específicas Físicas ••Modificación Modificaciónen enW Wtottot ••Disolventes Disolventesorgánicos, orgánicos,ácidos ácidos Aanalito(M) ••Formación Formaciónde deespecies especiesrefractarias refractarias(Ca) (Ca) ••Dispersión Dispersiónde delalaluz luz ••Tampón Tampónde deionización ionización cinterferente ••Utilización Utilizaciónde deotra otralínea líneade deabsorción absorción ••Método Métodode delas lasdos doslíneas líneas ••Correctores Correctoresde defondo fondo(lámpara (lámparade de deuterio) deuterio) ••Efecto EfectoZeeman Zeeman ••Autoabsorción Autoabsorción ••Blanco Blanco ••Simulación Simulaciónde delalamatriz matriz ••Adición Adiciónde deestándar, estándar,patrón patróninterno interno 3.7.- Métodos para minimizar los errores producidos en la calibración 1.- Simulación de la matriz 2.- Dilución 3.- Separación de la matriz del analito 4.- Saturación 5.- Adición de modificadores 6.- Enmascaramiento 7.- Patrón o blanco interno 8.- Adición de estándar Método del patrón interno (IS) Cr Sr Sa Ca r: patrón interno a: analito Sa/Sr → compensación errores sistemáticos y aleatorios Curva Curvade decalibrado: calibrado: SSa/S versus c a/Sr r versus caa Sa Sr Sa/Sr tiempo ••El ElIS ISmismo mismocomportamiento comportamientoque queel elanalito analito ••El ElIS ISausente ausentede dela lamuestra muestraaaanalizar analizar del intervalo dinámico ••CCanalito yyCCIS dentro analito IS dentro del intervalo dinámico ••Señales Señalesdel delanalito analitoeeIS ISperfectamente perfectamentedistinguibles distinguibles ••No Nose seeliminan eliminanlas lasinterferencias interferenciasdel delfondo fondo ••Limitado Limitadoal alnúmero númerode deespecies especiesque quepueden puedenactuar actuarcomo comoIS IS ••Degradación Degradaciónde dela laprecisión precisión Método de adiciones (múltiples) de estándar 1 2 3 4 5 Agua Disolución concentración conocida Disolución de la muestra S S = a + mC Sa + Ss ••Se Secorrigen corrigenefectos efectosde dematriz matriz ••Bueno Buenocuando cuandono nohay hayningún ningúnIS IS Sa C - Ca • No se conoce la matriz • Medida buena del “blanco” • Curva de calibrado lineal • Interferencias independiente de la concentración de analito • Analito en la misma forma Ca + Cs SS==SSa ++SSs a s CC==CCa ++CCs a s CCa ==(S + S – a – (Saa + Sbb – a –mC)/m mC)/m a ••Método Métodolaborioso laborioso ••Basado Basadoen enla laextrapolación extrapolación 3.8.- Determinaciones mediante FAAS 1.1.-Determinaciones Determinaciones directas directas (recta (recta de de calibrado) calibrado) 2.2.-Determinaciones Determinaciones indirectas indirectas Elementos Elementosde delalaparte partesuperior superiorderecha derechade delalatabla tablaperiódica periódica ) λλ<<190 190nm nmque queno nose sepueden puedendetectar detectardirectamente directamente(E (Eexc exc) 2.1.2.1.-Basadas Basadasen enefectos efectosinterferentes interferentes Determinación (interferenciasobre sobreMg) Mg) Determinaciónde deFF-(interferencia 2.2.2.2.-Basadas Basadasen enmétodos métodosde deprecipitación precipitación 2+ 2Determinación Determinaciónde deSO SO442-con conBa Ba2+ 2.3.2.3.-Formación Formaciónde decomplejos, complejos,pares paresiónicos, iónicos,etc. etc. LOD LOD(ng/ml) (ng/ml) Ag Ag(328.1) (328.1) Al (309.3) Al (309.3) As As(193.7) (193.7) Ba Ba(553.6) (553.6) Ca (422.7) Ca (422.7) Cd Cd(228.8) (228.8) Hg (253.6) Hg (253.6) Na Na(589.0) (589.0) Si Si(251.6) (251.6) VV(318.4) (318.4) Características analíticas de FAAS 33 30 30 200 200 20 20 11 11 4000 4000 55 1500 1500 500 500 Precisión Precisión Precisión Precisiónaacorto cortoplazo: plazo:0.1 0.1- -1% 1% Precisión a largo plazo: < 5 10% Precisión a largo plazo: < 5 - 10%(según (segúnotras otrasfuentes) fuentes) Aplicaciones Aplicaciones Muestras Muestraslíquidas líquidas(aguas, (aguas,efluentes efluentesorgánicos, orgánicos,fluidos fluidos biológicos, etc.) biológicos, etc.) Muestras Muestrassólidas sólidas(digestión (digestión++análisis análisismediante medianteFAAS) FAAS) 3.9.- Emisión atómica en llama (FAES) F+D F+D Na Na • Equipos empleados (fotómetros) F+D K F+D Sr • Llamas de propano-aire (bajas T) • Aplicable a elementos como alcalinos, alcalinotérreos, Al, Ga, Sc, La... • Interferencias Solapamiento de líneas Emisión de bandas -Llamas H2: OH λ = 281.1; 306.4 nm -Llamas O2-H2: O2 λ de 250 a 400 nm -Llamas hidrocarburos: CH λ = 431.5, 390.0 nm Emisión continua - Llamas O2-H2: H + OH → H2O + hν TEMA 4: Espectroscopía de absorción atómica sin llama 1.- Introducción. Ventajas e inconvenientes de FAAS 2.- Espectroscopía de absorción atómica por generación de hidruros (HGAAS) 2.1.- Elementos determinados mediante HGAAS 2.2.- Etapas en HGAAS 2.3.- Interferencias 3.- Espectroscopía de absorción atómica por vapor frío (CVAAS) 4.- Comparación HGAAS y CVAAS con FAAS. Aplicaciones 5.- Espectroscopía de absorción atómica por atomización electrotérmica (ETAAS) 5.1.- Etapas en ETAAS 5.2.- Características y tipos de atomizadores 5.3.- Señales obtenidas en ETAAS 5.4.- Ventajas de ETAAS frente a FAAS 5.5.- Inconvenientes de ETAAS. Interferencias 5.6. Aplicaciones 1.- Introducción. Ventajas e inconvenientes de FAAS Ventajas de FAAS Rapidez análisis Robustez equipo Aceptable precisión y sensibilidad Útil para un gran número de elementos Bajo coste Elementos detectables por FAAS Inconvenientes de FAAS Excesivo consumo de muestra Interferencias - Volatilización - Químicas - Espectrales - Físicas Dilución del analito en la llama Bajas eficiencias de transporte Bajos tiempos de residencia Absorción oxígeno Riesgos de explosiones Dificultad análisis micromuestras Degradación exactitud Pérdida sensibilidad Aumento LODs Dificultad si λ < 250 nm 2.- Espectroscopía de absorción atómica por generación de hidruros (HGAAS) Generación del hidruro Transporte Descomposición (atomización) Absorción radiación 2.1.- Elementos determinados mediante HGAAS Elemento Ge Sn Pb As Sb Bi Se Te Hidruro GeH4 SnH4 PbH4 AsH3 SbH3 BiH3 H2Se H2Te Tb (ºK) 185 221 260 211 255 251 232 271 λ (nm) 265.1 235.5 217.0 193.7 217.6 223.1 196.1 214.3 Elementos grupos IV, V y VI Hidruros covalentes Compuestos volátiles λ de absorción Próxima a 200 nm 2.2.- Etapas en HGAAS 2.2.1.- Generación del hidruro BH4- + 3 H2O + HCl ⇔ H3BO3 + Cl- + 8 H n+ M Mn+++HH MH MHnn↑↑++HH22↑↑ H + Mn+ ⇔ MHn↑ + H2 ↑ Zn (s) + 2 HCl ⇔ ZnCl2 (ac) + 2 H H + Mn+ ⇔ MHn↑ + H2 ↑ • Aplicable a As, Sb y Se •Tiempo de reacción ~10 minutos • Aplicable a As, Sb, Se, Bi, Ge, Pb, Sn y Te • Mayor rendimiento y velocidad de reducción • El reactivo se usa en forma de disolución. • Producción de hidrólisis: NaBH4 + H2O NaBO2 +4H2O Factores que afectan la formación del hidruro Estado de oxidación Estado preferible Estado real Tratamiento As (III) As (V) Reducción con KI (∆) Sb(III) Sb(V) Reducción con KI, espontánea Bi(III) Bi(V) El Bi (V) es inestable Se(IV) Se(VI) Reducción con HCl 6-7 M (∆) Te(IV) Te(VI) Reducción con HCl 6-7 M (∆) Sn(IV) Sn(II) Mantener un pH adecuado Acidez del medio 0,6 0,6 Sn Sn Ge 0,5 Ge 0,5 0,4 Bi 0,4 Bi 0,3 Sb Te 0,3 Sb 0,2 Te As 0,2 As 0,1 Se 0,1 Se 0,0 0,0 0 1 2 3 4 5 6 7 0 1 2 3 4 5 6 7 concentración HCl (mol/l) concentración HCl (mol/l) Absorbancia Absorbancia Tratamiento para alcanzar el estado de oxidación adecuado Concentración de reductor 2.2.2.- Modos de generación y transporte del hidruro Continuo Bomba peristáltica Acidificación muestra A la célula de atomización La transformación se completa (reactor) Inicio generación hidruro Muestra HCl NaBH4 Separador Drenados Ar a la célula drenados del reactor Separador de fases Discontinuo Ar Ar Introducción reductor Introducción Muestra acidificada Generación hidruro Transporte Hidruro a la célula de atomización Inyección en flujo (FIA) Bomba peristáltica Válvula de inyección + bucle Generación del Hidruro, separación y transporte HCl NaBH4 Reacción por difusión de los diferentes componentes a lo largo de la conducción carga inyección 2.2.3.- Descomposición del hidruro (atomización) La Ladescomposición descomposiciónde delos loshidruros hidrurostiene tienelugar lugarpor pormedio mediode de un unmecanismo mecanismode deformación formaciónde deradicales radicaleslibres libres Presencia de H2 y O2 H + O2 O + H2 Mecanismo propuesto para el Se Posible recombinación Célula Hidruro (del separador) OH + O OH + H SeH2 + H SeH + H Se + H SeH SeH + H2 Se + H2 3.- Espectroscopía de absorción atómica por vapor frío (CVAAS) Específica del mercurio Diferencias con respecto a HGAAS Interferencias en CVAAS Apreciable pvapor a Tambiente Vapor atómico estable de Hg0 λresonancia = 253.7 nm poco sensible λmás sensible=184.9 nm interferencias O2 No hay que usar llama (pérdida sensibilidad) SnCl2 como reductor (no NaBH4) Hg2+ + Sn2+ → Hg0 + Sn4+ Ag, Pd, Pt, Rh o Ru a 1 mg/l, supresión señal Agentes complejantes del Hg Estado de oxidación diferente a +2 (Cr2O72-) 4.- HGAAS y CVAAS versus FAAS ☺ Generación volátiles → mayor transporte Eficiencia de Transporte N0 εn = C 0Vs N0: Número de átomos transformados en hidruro C0: Concentración analito en la muestra Vs: Volumen de muestra (εn)HGAAS ~ 100%; (εn)FAAS ~ 10% ☺ HGAAS y CVAAS mejoran parámetros analíticos tresidencia FAAS ~ 2 ms HGAAS ~ 300 ms Elemento Ge Sn Pb As Sb Bi Se Te Hg LODFAAS (µg/ml) LODHGAAS (µg/ml) 0.11 0.031 0.015 0.11 0.041 0.046 0.25 0.035 0.1-1 0.5 0.0005 0.1 0.0008 0.0005 0.0002 0.002 0.002 0.0003 (CVAAS) LODFAAS LODHGAAS 0.22 62 0.15 138 82 230 125 18 300-3000 ☺ HGAAS y CVAAS separación de la matriz del analito → Menos interferencias HGAAS Interferencias en fase líquida HGAAS y CVAAS mayor consumo de reactivos, mayor complejidad y más lentas 5.- Espectroscopía de absorción atómica por atomización electrotérmica Lampara Cámara de grafito 5 - 10 mm Monocromador / Detector T alcanzadas sobre 2500 ºC 25 - 50 mm Introducción de la muestra 5.1. Etapas en GFAAS Depósito de una gota Entre 1 y 100 µl Micropipetas vs Sistemas automáticos Secado Evitar proyecciones (100 ºC) tsecado = 2 Vmuestra Disolventes orgánicos Pirólisis Atomización Limpieza Eliminación de matrices Temperatura (470 – 770 ºC) La matriz se libera antes, después o a la vez que el analito Temperatura Optima de Pirólisis Debe ser lo más rápida posible (0.1 s) Temperatura Optima de Atomización Rampa (2000ºC/s) + Zona constante Pérdidas de analito Difusión Tiempo de residencia 0.1 – 1 s T vs. Tiempo Optimización de la temperatura de pirólisis y atomización (curvas dobles) Tpirólisis Cte Absorbancia TOP TOA Atomización pirólisis aparición del analito volatilización cuantitativa del analito TOP: temperatura óptima de pirólisis (la matriz se descompone sin que el analito se libere antes de la etapa de atomización) TOA: temperatura óptima de atomización (la matriz se descompone y el analito se atomiza completamente en la etapa de atomización) Temperatura Tatomización Cte Utilidad de las curvas dobles Absorbancia Cd Al Al (b.p.) Cd m.p. Al2O3 m.p. Cd (b.p.) Temperatura MECANISMO DE ATOMIZACIÓN Mientras el Cd se atomiza directamente a partir de Cd elemental, el Al se transforma en primer lugar en alúmina y después se disocia generando átomos libres de Al. Factores que afectan a la atomización Compuestos presentes Material del horno Atmósfera Velocidad de calefacción Temperatura interna Contacto analito-superficie del horno A) Descomposición química de óxidos sólidos MO(s/l) + C(s) MO (s/l) + 2C (s) M(l/g) + CO (g) MC (s) + CO (g) B) Descomposición térmica de óxidos sólidos MO (s) M (g) + ½ O2 (g) C) Disociación del haluro en fase vapor MX2 (s) MX2 (l) MX (g) + X (g) M (g) + X (g) Desorción Mecanismos de atomización T<Tvaporización 5.2.- Características y tipos de atomizadores Químicamente inerte Elevadas conductividades El material de construcción debe ser puro Baja porosidad y coeficiente de expansión Elevado punto de fusión Fácilmente manejable Materiales empleados: Ta, W, grafito Tipos de grafito: Electrografito Poroso (problemas de difusión de la muestra) Formación de carburos estables (Zr, Ti, Ta...) Grafito electrolítico Grafito pirolítico No poroso Baja permeabilidad Resistencia al ataque químico Superficie más irregular Grafito pirolítico Tipos de Atomizadores: 1.- Calefacción longitudinal 2.- Calefacción transversal 3.- Atomización isotérmica 4.- Atomizadores de sonda Temperatura Inconveniente: Aparición de gradientes decrecientes de temperatura hacia el centro del horno que aumentan con el tiempo paredes Vo lt a je 1.- Calefacción longitudinal Difusión de átomos hacia zonas frías Condensación de átomos interior Interferencias químicas tiempo 2.- Calefacción transversal voltaje 3.- Atomización isotérmica Calefacción mediante radiación/convección Tw>Tg>Tp>Tm menor condensación PLATAFORMA DE L'VOV Menor señal de fondo Mayor tiempo de vida del tubo Mejor precisión Orificio de introduccion Tubo de grafito de la muestra T (ºC) Tw 2600 TA Tg TV Tp 1000 Ts 0 Tw: T de la pared del horno Tg: T del gas Tp: T de la plataforma Ts: T de la muestra Tiempo (s) 3 Plataforma 5.3.- Señales obtenidas en ETAAS Atomización Temperatura Pirólisis Secado Enfriamiento tiempo Absorbancia Picos de muy corta duración (0.1 – 1 s) Matriz y elemento afectan su forma T(aparición de la señal) Masa característica “Cantidad de analito que da lugar a una señal de 0.0044 unidades de A (i.e., 1% de absorción).” Área versus altura de pico Limpieza 5.4.- Ventajas de ETAAS sobre FAAS Elemento Mayores tiempos de residencia Al Mayores sensibilidades Cd Elementos refractarios Hg Bajos volúmenes de muestra requeridos (µl) Mg Fácil automatización con automuestreador Pb Atmósfera inerte: no óxidos Ti Menores Límites de Detección (LOD) V Se pueden analizar muestras sólidas tiempo LODFAAS 30 0.5 200 0.1 10 50 40 LODETAAS 0.01 0.003 2 (0.002) 0.004 0.05 0.5 0.2 5.5.- Inconvenientes de ETAAS. Interferencias Interferencias Químicas (Disminución eficiencia atomización, βa) → Causadas por la muestra Volatilización del analito (sales volátiles) Adición de estándar → Causadas por el método Modificación programa Formación de carburos o nitruros Solución térmico Condensación Uso de modificadores Efectos de memoria Interferencias espectrales o físicas → Emisión de luz incandescente (grafito) → Absorciones no específicas Método de las dos líneas Dispersión de la radiación Corrector de fondo (D2) Luz parásita (radiación espúrea) Solución Corrector Zeeman Superposición de líneas Formación de especies moleculares. Corrector autoabsorción 3Fondos estructurados (PO4 ) Formación de haluros estables (1) Recta de calibrado en agua (2) Recta de calibrado con matriz (3) Adición estándar 1 A A 3 2 3 2 QUÍMICAS c 1 FISICAS c Modificadores en ETAAS “Especie que se añade a la muestra con objeto de transformar al analito en una sustancia térmicamente más estable y/o aumentar la volatilidad de las especies Concomitantes que constituyen la matriz” Se pueden utilizar Tpirólisis mayores Mayor separación en el tiempo de absorciones no específicas y específicas Condiciones que debe reunir un modificador →No pérdidas de analito →Modificador “universal” →No corrosivo y altamente puro →No dar absorciones no específicas Tipos de modificadores 1.- Modificadores de matriz NaCl + NH4NO3 → Na NO3 + NH4Cl (p.e. 1413ºC) (desc. a 210ºC) (desc. a 380ºC) (desc. a 335ºC) 2.- Modificadores de analito El As y Se se estabilizan añadiendo Ni (arseniuro y seleniuro) 3.- Modificadores de la matriz y el analito As y Se en medios biológicos (fondos estructurados) se estabilizan con Ni 4.- Modificadores mixtos Medida de Cd con mezcla Pd+NH4NO3 Determinación de Sb empleando diferentes modificadores 80 60 20 µg Pd Disolución de Sb 4 µg Mo 40 20 800 1.4 M HNO3 0.3 M HNO3 1000 1200 1400 1600 1800 2000 Temperatura de la etapa de pirólisis (K) Determinación de Al empleando Mg como modificador (línea azul) y sin modificador (línea roja) Absorbancia Intensidad relativa (%) 100 B 0.6 A 0.4 0.2 0 0 1 2 3 t Ejemplos de modificadores en ETAAS Elemento Modificador Al Mg(NO3)2 As Ni(NO3)2 Cd (NH4)2HPO4, NH4F, EDTA, ácido ascórbico, ácido tartárico, HNO3 Co Mg(NO3)2 Hg (NH4)2S, K2Cr2O7, KMnO4 Mn Mg(NO3)2 Ni Mg(NO3)2 P La(NO3)3 Pb (NH4)2HPO4 Sb Pd(NO3)2, Mo(NO3)2, Ni(NO3)2 Se Ni(NO3)2 Sn HNO3 Ta H2SO4 Te Ni(NO3)2, AgNO3 Corrección interferencias espectrales Anchura de banda del monocromador + Absorción analito Absorción no específica a.- Método de las dos líneas - Líneas cercanas (< 10 nm) - Detección simultánea de ambas Aanalito + fondo Aanalito A Aanalito = Aanalito + fondo - Afondo Afondo Afondo λanalito λ Monocromador Lampara de Deuterio b.- Corrector de fondo con lámpara de deuterio. - Válida para UV (máximo a 200 nm) Detector - No usada para VIS (400 – 800 nm) - Lámpara de arco de Xe-Hg (190-425 nm) - Diferente sensibilidad y estabilidad Cátodo hueco Deuterio Cátodo hueco Obturador Deuterio Horno A A Sin fondo Lampara de catodo hueco Con fondo λ Problemas encontrados Los haces no son superponibles El ruido aumenta en un factor 2-3 La velocidad de adquisición de las señales no es la misma No es aplicable para: λ c.- Corrector basado en el efecto Zeeman. Lámpara de cátodo hueco Imán Polarizador Zeeman directo Monocromador Detector Emisión lámpara Sin campo magnético Con campo magnético Sin polarizador El polarizador deja pasar radiación // al campo Desdoblamiento del pico en componentes σ y π por acción de un campo magnético Distinta respuesta a la radiación polarizada que presentan los picos σ y π La componente π absorbe radiación polarizada en el plano paralelo a B Las componentes σ absorben radiación polarizada perpendicularmente a B El polarizador deja pasar radiación ┴ al campo Espectro de absorción ANALITO + FONDO FONDO Luz polarizada Zeeman inverso Lámpara de cátodo hueco Polarizador Imán Monocromador Fondo Fondo Perfil de Absorción (π) Perfil de emisión paralelo Luz polarizada Fondo Perfiles de Absorción (σ) Perfil de emisión perpendicular Absorción atómica Detector Ventajas: 1.- Corrección de hasta 2 uA 2.- Corrección a λ cercanas a la de resonancia 3.- Corrige líneas separadas 0.02 nm 4.- Una única fuente de radiación 5.- Es útil para el VIS y UV Absorción Atómica Inconvenientes: Fondo 1.- Lecturas dobles 2.- Pérdida de sensibilidad por los polarizadores 3.- Elevado coste 4.- No se sabe si el campo afecta la señal del fondo 5.- Zeeman anómalo c.- Corrector basado en el fenómeno de la autoabsorción (Smith-Hieftje). Emisión lámpara a corrientes bajas Emisión lámpara a corrientes elevadas ANALITO + FONDO FONDO Absorción analito Longitud de onda Smith-Hieftje vs corrector de deuterio: ☺ Trabaja en UV-VIS con una sola lámpara ☺ Corrige hasta 3 uA ☺ Económico y de fácil manejo Peor sensibilidad Smith-Hieftje vs Zeeman: ☺ No proporciona líneas dobles de los calibrados ☺ No pierde energía por efecto del polarizador ☺ Económico ☺ Puede utilizarse en FAAS y GFAAS ☺ Bajos LOD TEMA 5: Espectroscopía de emisión atómica en plasma 1.- Definición de plasma 2.- Tipos de plasmas 2.1.- Plasma de corriente continua, DCP 2.2.- Plasma acoplado por microondas, MIP 2.3.- Plasma acoplado por inducción, ICP 3.- Espectrocopía de emisión atómica por plasma acoplado por inducción (ICP-AES) 3.1.- Generación del plasma 3.2.- Procesos que sufre la muestra en el plasma 3.3.- Instrumentación en ICP-AES 3.3.1.- Introducción de muestras en ICP-AES 3.3.2.- Diferentes modos de observación del plasma 3.3.3.- Espectrómetros utilizados en ICP-AES 3.4.- Interferencias en ICP-AES 3.5.- Aplicaciones de ICP-AES 3.6.- Comparación de ICP-AES con FAAS y ETAAS 1.- Definición de plasma “Un gas constituido por iones positivos y electrones libres en el cual existe una cantidad aproximadamente equivalente de cargas positivas y negativas” (diccionario de inglés, Oxford) “Gas parcialmente ionizado a una temperatura lo suficientemente elevada para atomizar, ionizar y excitar la mayoría de los elementos de la tabla periódica” (Ebdon y col.) “Gas parcialmente ionizado, macroscópicamente neutro, y que es un buen conductor de la electricidad” a= N º iones N º iones + N º átomos Para a=10-4 T = 7000 K Célula de excitación ideal en emisión Elevada sensibilidad Elevada precisión y exactitud Capacidad multielemental Facilidad de manejo Ausencia de interferencias de matriz Plasma 2.1.-Plasma de Corriente Continua (DCP) Dispositivos de tres electrodos Un cátodo de W y dos ánodos de grafito Forma de “Y” invertida T (centro) ≈ 10000; elevada emisión de fondo T (zona de observación) ≈ 5000 – 6000 K Introducción vertical del aerosol RSD (0.5 – 1%) P = 700 W; Q(Ar) = 7 l/min Inconvenientes Deterioro muy rápido de los electrodos Modificación características en presencia de muestra Sin muestra Con muestra 2.2.- Plasma Acoplado por Microondas (MIP) Acoplamiento de energía de MW al Ar Se produce en un tubo de cuarzo ν = 2450 MHz; P = 200 – 500 W Q(He) = 1 l/min Inconvenientes Muy baja potencia (desolvatación necesaria) LOD mayores que en ICP Ventajas Posibilidad de determinar elementos como C, H, N, P, O, S y halógenos Utilizado en cromatografía de gases 2.3.- Plasma Acoplado por Inducción (ICP) PI (Ar) = 15.8 eV (se pueden ionizar y excitar casi todos los elementos) Químicamente inerte Espectro de emisión muy sencillo Especies presentes en ICP: Ar0, Ar+, Ar*, Ar+*,Arm, eEs el más utilizado Gas relativamente barato atendiendo a su abundancia en la atmósfera Baja conductividad térmica Tubo Antorcha Se utiliza Ar 1 2 3 Ar Ar externo (1) Muestra Tubo Intermedio (2) Tubo Central (3) Ar Ar Ar+muestra 3.1.- Espectroscopía de emisión por plasma acoplado por inducción (ICP-AES ) 3.1.- Generación del plasma ICP La generación del plasma se produce por acoplamiento de la energía de un generador RF con argón por medio de la generación de un campo magnético inducido por una espira de dos o tres vueltas Aplicación corriente altera a la bobina Sembrado de electrones Trayectoria de oscilación de los electrones Caudal de argón: 15-18 l/min; Potencia: 900 –2000 W Frecuencia de oscilación en la espira: 27 o 40 MHz Acoplamiento e- - campo magnético (plasma) 3.2.- Procesos que sufre la muestra en el plasma (óxido excitado) MO MO* M+* Recombinación (ion) M+ M* ionizacion (atomo) M hν2 hν1 atomizacion (gas) hν3 MX MXn desolvatacion (disolucion) b) Ionización/excitación Penning Arm + M Ar + M+ + eArm + M Ar + M+(*) + ec) Ionización/excitación por transferencia de carga Ar+ + M Ar + M+ Ar+ + M Ar + M+(*) Aspecto del ICP cuando se introduce Y vaporizacion (solido) Mecanismos de excitación: a) Excitación/ionización térmica M + e-rápidos M* + e-lentos M + Arrápido M* + Arlento + M(H2O)m , X- 3.3.- Instrumentación en ICP-AES 3.3.1.- Introducción de muestras en ICP-AES Etapa mucho más crítica que en FAAS Gotas deben tener un tamaño < 10 µm Masa de disolvente < 20 mg/min Caudal de gas portador ~ 0.7 – 1 l/min Viscosidad disminuye Zona observación 5 – 20 mm Baja emisión de fondo Bajas interferencias Elevada emisión del analito tresidencia ~ 2 – 4 ms Muestras sólidas Ablación por láser Vaporización electrotérmica Sistemas de inserción directa Disolución + introducción Muestras líquidas Nebulización + cámara de nebulización Nebulización + desolvatación Vaporización electrotérmica Sistemas de inserción directa Muestras gaseosas Generación de hidruros Nebulización + cámara de nebulización 1.- Nebulizador Concéntrico Flujo cruzado suspensiones 2.- Cámara de nebulización Doble paso Ciclón 3.- Antorcha Fija Desmontable Resistente a HF 3 3 2 1 1 2 Nebulizadores neumáticos capilar boquilla Entrada de líquido ca. 25 mm -Frágil -εn 1 – 4% -Posibilidad de HF -Obturación Entrada de gas ca. 40 mm Aerosol Disolución (2 ml/min) Diámetro interno 0.8 mm Ar Surco en V Argon (1 l/min) Muestra -Robusto -εn 0.5 – 2% -Posibilidad de HF -Menos Obturación Aerosol -Robusto -εn 0.5 – 2% -Posibilidad de HF -No Obturación Cámaras de nebulización. Fenómenos de transporte Aerosol terciario Cámara de doble paso Fino Lento Monodisperso Turbulencias Drenados + Aerosol primario = Coalescencia Grueso Rápido Polidisperso Evaporación disolvente Depósito por gravedad Impactos por inercia Cámara ciclón Cámara de paso simple con superficie de impacto A la antorcha aerosol del nebulizador Drenados Superficie de impacto Cámara ciclón o paso simple versus doble paso ☺ Mayores Wtot y εn Mayores Stot y εs ☺ Mayores sensibilidades ☺ Menores tiempos de lavado ☺ Menores efectos de matriz Mayores ruidos de señal Nebulizador ultrasónico con sistema de desolvatación Resistencia Gas portador Transductor piezoeléctrico Al plasma Agua de refrigeración drenados Introducción de la muestra drenados Sistema de desolvatación versus nebulizador + cámara ☺ Mayores Wtot y εn ☺ Menores Stot y εs ☺ Mayores sensibilidades ☺ Límites de detección varios órdenes de magnitud menores Mayores tiempos de lavado Mayores ruidos de señal 3.3.2.- Diferentes modos de observación del plasma Radial Axial 3.3.3.- Espectrómetros utilizados en ICP-AES a) Equipos secuenciales Espejo de enfoque Rendija de salida Red de difracción Rendija de entrada Espejo colimador a) Equipos simultáneos Detector CCD Sistema simultáneo basado en el uso de la dispersión cruzada Policromador 3.4.- Interferencias en ICP-AES Cambio en el comportamiento del sistema con respecto a disoluciones acuosas Interferencias físicas (no espectrales) - Modificación en el proceso de nebulización Cambios en σ, η: Un aumento en éstas da lugar a aerosoles primarios más gruesos - Modificación en el transporte del aerosol Cambios en α, ρ: Un aumento en α facilita el transporte de disolución. Un aumento en ρ dificulta el transporte de disolución Modificación del plasma (no espectrales) - Reducción de la capacidad térmica del plasma DISOLVENTES ORGÁNICOS: 1.- Aerosoles primarios más finos 2.- Mayor transporte de disolvente y analito 3.- Deterioro importante del plasma DISOLUCIONES ÁCIDAS: 1.- Aerosoles primarios similares 2.- Menor transporte de analito 3.- Ligero deterioro del plasma DISOLUCIONES SALINAS: 1.- Aerosoles primarios similares 2.- Menor transporte de analito 3.- Depósito sobre el inyector 4.- Partículas secas 5.- Modificación del plasma Señal relativa (división=5%) Ejemplo de uso de patrón interno en ICP-AES Ca Be Ca/Be (1 = 100 ms) OPCIÓN B: Medida a otra λ Interferencias espectrales - Cambio en la intensidad de fondo Efecto de Al 1000 µg/ml sobre W 270.911 nm -Fondos crecientes o decrecientes Efecto de Al 1000 µg/ml sobre Cd 214.438 nm OPCIÓN A: Medida del fondo y resta Medida del fondo a los extremos del pico -Solapamiento de líneas Efecto de Pt 1000 µg/ml sobre Cr 267.716 nm OPCIÓN A: Medida de la señal a otra λ OPCIÓN B: Empleo de equipos de alta resolución Medida a otra λ -Fondos complejos Efecto de W 1000 µg/ml sobre Au 214.438 nm 3.5.- Aplicaciones de ICP-AES • De tipo Agrícola. Determinación de macro- y micronutrientes en suelos. Determinación de metales pesados en lodos de depuradora. • Análisis de tipo geológico. Determinación de tierras raras en formaciones geológicas. Determinación de elementos tóxicos en sedimentos marinos. • Análisis medioambiental. Análisis de aguas marinas (Cd, Cu, Ni, V y Zn). Análisis de aerosoles atmosféricos. • Materiales de construcción. Determinación de Mg, Na y K en yesos. • Análisis de Alimentos. Identificación de la región de origen de vinos mediante la determinación de tierras raras. Determinación de metales tóxicos en frutos secos. • Análisis biológicos o clínicos. Determinación de metales en cálculos de riñón. • Análisis industrial. Determinación de metales pesados en plásticos. Determinación de metales pesados en aceites lubricantes. 3.6.- Comparación de ICP-AES con FAAS y ETAAS Temperaturas elevadas FAAS: 3000-4000 K HGAAS: 1000-1500 K GFAAS: 2000-3000 K ICP 7000-10000 K Tiempos de residencia LODICP-AES < LODFAAS pero en ocasiones LODICP-AES > LODETAAS ó LODHGAAS FAAS: 1 ms HGAAS: 300 ms GFAAS: 1000 ms ICP: 2 – 4 ms Menores efectos de matriz (refractarios) Intervalo dinámico de varios órdenes de magnitud Precisiones muy buenas (RSD 0.1 – 1%) Capacidad de medida simultánea, mayor velocidad de análisis El aerosol no interfiere con el proceso de transferencia de energía (orgánicos) No fuente externa de emisión Espectros de emisión con más líneas que los de absorción: Mejores monocromadores Técnica comparativa Todas las etapas controladas por ordenador Algunos elementos no se pueden detectar - Elementos introducidos externamente (H, O, Ar) - Elementos no excitables (F,Cl, gases nobles) - Elementos sintéticos (bajos tiempos de vida) LIMITES DE DETECCION Rojo: ETAAS Azul: ICP-AES Verde: HGAAS y CVAAS H Li Be 0.2 0.03 He B 2 Na Mg 0.01 0.004 K 0.002 Ca Sc Ti 0.05 0.08 0.5 Al Si 0.01 0.1 P 20 S 50 Cl Ar Br Kr In 0.3 Sn 0.5 Sb 0.5 Te 2 I Xe Tl 0.1 Pb 0.1 Bi 0.2 Po At Rn Rh 1 Pd 1 Cs Hf 15 Ta 20 Os 0.4 Ir 20 Pt 0.2 Ac Ne Se 2 Ru 8 Ra F As 0.8 Nb Mo Tc 5 0.02 Fr O Ge 3 Zr 0.8 Ba La 0.04 5 N V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga 0.2 0.01 0.01 3 0.02 0.2 0.02 0.001 0.1 Rb Sr Y 0.2 0.05 0.3 50000 C 40 W 20 Re 10 Ag Cd 0.005 0.003 Au 0.1 Hg 0.3 TEMA 6. Espectroscopía atómica de fluorescencia de rayos X (XRF) 1.- Introducción histórica. Generalidades 2.- Origen de la fluorescencia de rayos X. Espectros 3.- Absorción de rayos X 4.- Rendimiento de la fluorescencia. Efecto Auger 5.- Fundamentos del análisis por XRF 5.1.- Análisis cualitativo 5.2.- Análisis cuantitativo 6.- Instrumentación 6.1.- Fuentes 6.2.- Cristal analizador 6.3.- Detectores 7.- Espectrómetros 7.1.- Dispersión de longitudes de onda 7.2.- Dispersión de energías 7.3.- Comparación 8.- Preparación de la muestra 8.1.- Elementos mayoritarios 8.2.- Elementos minoritarios 9.- Efectos de matriz. Corrección 10.- Características analíticas y aplicaciones 1.- Introducción histórica 1895 1913 1948 Roentgen descubre los rayos X Coolidge usa un tubo de vacío como fuente de rayos X Friedmann y Birks desarrollan el primer prototipo de espectrómetro de fluorescencia Aproximación de Bohr al átomo 2 → →nº nºmáximo máximode deelectrones/capa: electrones/capa:22nn2 s → →nº nºscuánticos: cuánticos: Principal Principal(n=1,…,6) (n=1,…,6) Azimutal Azimutal(l(l==0,…,n-1) 0,…,n-1) Magnético Magnético(+ (+l,…0,…l,…0,…-l)l) Spin Spin((±±½) ½) → nº de niveles → nº de nivelesde deenergía energía(subcapas): (subcapas): j j==|l±½| |l±½| Capa CapaK: K:11subnivel subnivel Capa CapaL: L:33subniveles subniveles(L (LI,I,LLIIII, ,LLIIIIII)) Capa CapaM: M:cinco cinconiveles niveles K L M N O Espectro de la radiación electromagnética. Aplicaciones analíticas Tipo de transición Rotación molecular Métodos espectroscópicos Región espectral Longitud de onda (m) Frecuencia (Hz) Vibración molecular Absorción microondas Ondas de radio 10 1 10-7 E(KeV) 0.1 Espectroscopía infrarroja Infrarrojo (IR) Microondas FIR 10-1 10-2 10-3 10-4 1 cm 10-9 10-11 1.0 10 λ(Å )100 R X ultra blandos Rayos X blandos Intervalo analítico MIR 10-5 10 1.0 Espec. VIS-UV VIS NIR 10-6 1 µm 10-13 Transición electrónica 10-7 UV RX 10-8 10-9 10-10 1Å 10-15 100 0.1 Rayos X duros Fluoresc. Rayos X 10-17 2.- Origen de la fluorescencia de rayos X M L K M L K M L K 63 29Cu 29 protones y 34 neutrones 63 29Cu ν0 ∆E Eint erno − Eexterno ν0 = = h h ν’ Emisión de rayos X ν0 > ν’ Espectro de rayos X al bombardear un blanco Espectro continuo Espectro de líneas Continuo Pérdidas de energía cinética no cuantizadas Si Ecinética del e- = Eradiante, eV = hν 0 = λ0 Líneas hc λ0 Ley de Duane - Hunt hc 12.393 = λ0 = eV V λ0 es independiente del elemento Creación de huecos y ocupación por otros electrones Niveles cuantizados → transiciones características Se deben obedecer las reglas de selección ∆n > 0, ∆l = ±1, ∆j = 0 ó ± 1 Notación Diagrama del hierro Energía (eV) 0.01 N1 M5,4 0.1 1 Líneas K M3,2 M1 K-L3 Kα1 K-L2 Kα2 K-M3,2 Kβ L3 L2 L1 Líneas L3 K 10 Líneas L2 Elemento: W λK < λ L Serie K (Å) Serie L (Å ) Kα1 = 0.21 Lα1 =1.47 Kβ1 = 0.18 Lβ1 =1.28 Líneas L1 IUPAC Siegbahn Intensidad relativa K-L3 Kα1 100 K-L2 Kα2 ≈ 50 K-M3 Kβ1 ≈ 17 K-M2 Kβ3 ≈8 L3-M5 Lα1 100 L3-M4 Lα2 ≈ 10 L3-N5,4 Lβ2,15 ≈ 25 L3-M1 Ll ≈5 L3-N1 Lβ6 ≈1 L2-M4 Lβ1 100 L2-N4 Lγ1 ≈ 20 L2-M1 Lη 3 L2-O1 Lγ6 3 L1-M3 Lβ3 100 L1-M2 Lβ4 ≈ 70 L1-N3 Lγ3 ≈ 30 L1-N2 Lγ2 ≈ 30 Coeficiente de absorción másico 3.- Absorción de rayos X LI LII LIII Región de aumento: Energía = energía de ionización + Ecinética del electrón Región de caída brusca (o bordes): Energía = energía de ionización (resonancia) K λ (Å) Características de los espectros de absorción: λbordes característica de cada elemento e independiente de su forma química. λbordes < λfluorescencia Fluorescencia = absorción + emisión Absorción obedece la ley de Beer I0 = µ1 X I I Ln 0 = µρ X I I ( λ ) = I 0 e − µρ X Ln I, Io: Intensidad de luz transmitida e incidente µ1: coeficiente de absorción lineal X: espesor de la muestra (cm) µ: coeficiente de absorción másico ρ: densidad del material Wi: concentración de elemento “i” en peso µ M = µ AW A + µ BW B + µ CWC + ... 4.- Rendimiento de la fluorescencia de rayos X. Efecto Auger Emisión de rayos X M L K ω= nf n ω: Rendimiento n: nº de fotones primarios nf: nº de fotones fluorescentes M L K ωK M L K ωL Emisión de un electrón Auger ωM Análisis cualitativo Intensidad 5.- Fundamento del análisis por fluorescencia de rayos X Al K Si Ca Ti Fe Rb K Medida de la energía de los fotones Sr 0 2 4 6 8 10 12 Energía (eV) 14 16 P Pii == M Mii G Gii Análisis cuantitativo Intensidad de fluorescencia Medida del número de fotones Mi = ρ T C i Mi: Masa de analito por unidad de área ρ: densidad T: espesor de la muestra Ci: concentración de analito Constante: Elemento Condiciones 6.- Instrumentación Dispersión de longitudes de onda Cristal analizador Fuente Detector Dispersión de energías Detector de estado sólido Fuente 6.1.- Fuentes de rayos X Tubo Coolidge - + Ánodo -30 KV + Agua refrigerante e- Filamento y cátodo Rayos X Elementos Elementosligeros: ligeros: Ánodo Ánodode decromo cromo Elementos Elementospesados: pesados: Ánodo Ánodode deW WóóAu Au Elementos Elementosligeros ligerosyypesados pesados Ánodos Ánodosdobles dobles(Cr/Au) (Cr/Au) 6.2.- Cristal analizador Ley de Bragg n λ = 2 d sen θ θ nλ senθ = 2d θ d Restricciones: Restricciones: Espaciado Espaciado“d” “d”~~λλ 22θθentre entre10º 10ºyy150º 150º Cristal 2d (Å) APLICABILIDAD DISPERSIÓN dθ/dλ λmáx λmín λmáx λmín Intervalo óptimo LiF (220) 2.85 2.753 0.248 1.35 0.35 Ti-U LiF (200) 4.02 3.883 0.350 0.96 0.25 K-U Ge (111) 6.53 6.307 0.569 0.59 0.15 P-Cl PX2 120.0 115.90 10.464 0.032 0.008 B-C Ar+ e+ e- Ar Ar RX Ventana de entrada Fotón R X + Ar → A+ + e- V6 Contador Géiger eAr+ proporcional Ar Ánodo colector V3 V4V5 Contador Ventana de salida nº de electrones por fotón Detectores de ionización de gas V2 Cámara de ionización V1 6.3.- Sistemas de detección Voltaje aplicado Detectores de estado sólido Detectores de centelleo + 1200 V Rayos X Cristal de NaI (Tl) Tubo fotomultiplicador Muestra 7.1.- Espectrómetro de rayos X por dispersión de longitudes de onda Colimadores Detector Cámara a vacío Tubo de rayos X Cristal de difracción 7.2.- Espectrómetro de rayos X de dispersión de energías Muestra Detector Tubo de rayos X 7.3.- Dispersión de energías versus dispersión de longitudes de onda Dispersión de longitudes de onda Dispersión de energías Cristal analizador Analizador de alturas de impulsos Ventajas Ventajasde delala dispersión dispersiónde deenergía energía Simplicidad Simplicidaddel delinstrumento instrumento Mayor Mayorrendimiento rendimientoenergético energético Simultaneidad Simultaneidad Inconvenientes Inconvenientesde delala dispersión dispersiónde deenergía energía Peores Peoresresoluciones resolucionespara para λλ>>0.8 0.8ÅÅ Tiempos Tiemposde deintegración integración Límites similarescon conambos ambos Límitesde dedetección: detección:similares Análisis Análisiscualitativo: cualitativo: energía energíamás másrápido rápido picos picostenues tenuesjunto juntocon conpicos picosintensos intensos Análisis cuantitativo: Análisis cuantitativo: rapidez rapidezsimilar similar más máscaros caroslos losde dedispersión dispersiónde deλλ menos menoslíneas líneaslos losde dedispersión dispersiónde deEE 8.- Preparación de la muestra en fluorescencia de rayos X Elementos mayoritarios Elementos trazas Fusión: Bórax (Na2B2O7) Tetraborato de litio (Li2B4O7) Dilución: alta, intermedia o baja Molienda Secado (120ºC) Calcinación (950 ºC) -50:1 -50:1 -Eliminación -Eliminación efecto efectomatriz matriz -Reducción -Reducciónde de lalaseñal señal -Problema -ProblemaNa Na yyMg Mg -Útil -Útilpara para rocas rocas silicatadas silicatadasoo carbonatadas carbonatadas -2:1 -2:1 -Eliminación -Eliminación efecto efectomatriz matriz -No cae -No caelala señal señal -Patrones -Patrones similares similaresaalala muestra muestra Adición eluyente alta o baja absorción Adición aglomerante Sistema portamuestras intercambiables Presión elevada 9.- Efectos de matriz en fluorescencia de rayos X CCAA==G Gi iIIAAM MSS Intensidad relativa Efecto de absorción primario Efecto de absorción secundario Efecto de refuerzo Fracción en peso Efecto de refuerzo Ningún efecto de matriz Efecto de absorción Efecto del tamaño de grano Efectos de matriz La intensidad de fluorescencia disminuye al aumentar el tamaño de la partícula Corrección de los efectos de matriz en fluorescencia de rayos X Igualación de la matriz Método de dilución C A µ A,λ p I analítica I A = =K I primaria I p C M µ λ p ,m + Aµ λl ,m + Cd µ λ p ,d + Aµ λl ,d + ∑ Ci µ λ p ,i + Aµ λl ,i ( ) ( ) ( ) Eficiencia de excitación de una línea de fluorescencia CA: conc. de analito λl: long. de onda de excitación Cd: conc. de diluyente λp: long. de onda de la radiación de RX CM: conc. de un elemento de la matriz A: constante Ci: conc. Del resto de elementos de la matriz µ: coeficientes de absorción másicos Formas de hacer que el denominador sea insensible a cambios en la matriz: Añadir una concentración elevada de diluyente con µ a λp y λl bajos Añadir una concentración baja de diluyente con µ a λp y λl muy altos Método del patrón interno Ventajas: Compensa efectos absorción-refuerzo No hay que medir fondos Métodos matemáticos Inconvenientes: Aplicable a pocas sustancias y a conc. < 25% Mayores tiempos de análisis y costes Sólo para un elemento en cada matriz 10.- Características analíticas y aplicaciones de XRF Método Métodono nodestructivo destructivode delalamuestra muestra Mínima Mínimapreparación preparaciónde delalamuestra muestra((en enocasiones) ocasiones) Amplio Ampliointervalo intervalodinámico dinámico Determinación Determinacióncuali cualiyycuantitativa cuantitativade deelementos elementosen enmuestras muestrassólidas sólidas yylíquidas líquidas Tiempo Tiempode deanálisis: análisis: → →Análisis Análisiscualitativo cualitativocon conequipos equiposde dedispersión dispersiónde deenergías: energías:55min min → →Análisis Análisiscuantitativo cuantitativopreciso: preciso:30 30min min Limitaciones: Limitaciones: Intervalo Intervalode deelementos elementosanalizables analizableslimitado limitadoaaZZ>>11 11 Efectos de matriz en ocasiones severos Efectos de matriz en ocasiones severos La Lamatriz matrizen enpatrones patronesyymuestra muestraaamenudo menudono nopuede puedeser serigual igual Límites Límitesde dedetección: detección: → →Elementos Elementospesados pesadosdel delorden ordende delos losµg/ml µg/ml → →Elementos Elementosligeros ligerosdel delorden ordende de10 10aa100 100µg/ml µg/ml TEMA 7. Espectroscopía molecular visible – ultravioleta. Absorción y fluorescencia 1.- Introducción a la absorción VIS-UV. Definiciones 2.- Transiciones electrónicas 2.1.- Transiciones σ → σ*, n → σ*, n → π* y π → π* 2.3.- Absorción que implica electrones d y f 2.4.- Absorción por transferencia de carga 3.- Desviaciones de la ley de Beer 4.1.- Desviaciones instrumentales 4.2.- Desviaciones químicas 4.- Instrumentación 5.1.- Fuentes, selectores de longitud de onda, detectores 5.4.- Cubetas 5.5.- Ejemplos de equipos utilizados en VIS-UV 5.- Aplicaciones de la espectroscopía de absorción molecular VIS-UV 6.- Introducción a la luminiscencia VIS-UV 7.- Teoría de la fluorescencia y fosforescencia 7.1.- Procesos de desactivación no radiativos 7.2.- Factores que afectan a la fluorescencia y fosforescencia 7.3.- Relación entre la concentración y la intensidad de emisión 8.- Instrumentación 9.- Aplicaciones Introducción a la absorción VIS-UV. Definiciones Término y símbolo Definición Nombre alternativo y símbolo Potencia radiante, P, P0 Energía en Joules de la radiación incidente en el detector, por m2 y por segundo Intensidad de radiación, I, I0 Absorbancia, A logI0/I Densidad óptica, D; extinción, E Transmitancia, T I/I0 Transmisión, T Longitud de la trayectoria de la radiación en cm, b l, d Absortividad, a l/(g cm) A/bc Coeficiente de extinción, k Absortividad molar, ∈ l/(mol cm) A/bc Coeficiente de extinción molar b Io I Especie absorbente (c mol/l, g/l) Proceso en dos pasos a) Absorción M + h ν → M* b) Relajación M* → M + calor M* → B M* → M + hν Tiempo de vida de M* 10-8 – 10-9 s Los grupos funcionales son los que absorben la luz a λ adecuada λ > 185 nm → grupos cromóforos - poseen enlaces dobles - espectros complejos (bandas) e- que contribuyen a la absorción: - participan en el enlace - no participan en el enlace Orbitales/electrones enlazantes y antienlazantes Orbitales/electrones sigma (σ) y pi (π) “La absorción de radiación UV o VIS proviene de la excitación de los e- enlazantes o no enlazantes” Reacciones fotoquímicas Luminiscencia (emisión molecular) H Orbital σ Orbital σ* Orbital π Orbital π* C H O Electrones enlazantes “π” Electrones no enlazantes “n” Electrones enlazantes “σ” Transiciones electrónicas n n → π∗ antienlazante n → σ∗ π∗ π → π∗ antienlazante σ → σ∗ σ∗ no enlazante π enlazante σ enlazante Transiciones σ → σ* - λ bajas (E elevadas) CH4 (125 nm); C2H6 (135 nm) Transiciones n → σ* - λ entre 150 – 250 nm transiciones n → σ* Transiciones n → π* y π → π* - Las más útiles - λ entre 200 y 700 nm Compuesto λmáx (nm) H2O 167 CH3OH 184 CH3Cl 173 CH3I 258 (CH3)2S 229 (CH3)2 O 184 CH3NH2 215 (CH3)3N 227 Diferencias entre ambas transiciones - ∈(n → π*) < ∈(π → π*) - Si aumenta la polaridad del disolvente, desplazamientos opuestos de λ Grupos cromóforos y auxocromos Cromóforo λmáx Cromóforos: Cromóforos:Grupos Gruposque queabsorben absorben radiación VIS-UV C6H13CH=CH 177 radiación VIS-UV CH3 186 ⏐ CH3C=O OH 204 Diferentes cromóforos Identificación Identificaciónde degrupos grupos funcionales funcionales ⏐ CH3C=O 184 CH2=CHCH2CH2CH=CH2 185 CH2=CHCH=CH2 217 CH2=CHCH=CHCH=CH2 250 C6H6 (3 bandas) 184 204 (E2) 256 (B) Efectos aditivos Efecto de la conjugación Cuanto Cuantomayor mayornº nºde de Cromóforos, Cromóforos,mayor mayor∈∈ La conjugación favorece la estabilización del estado excitado (mayor deslocalización) Absorbancia CH3CH2CH2CH=CH2 Longitud de onda (nm) Auxocromos: Auxocromos:Grupos Gruposque queno noabsorben absorbenradiación radiaciónVIS-UV VIS-UV pero peroprovocan provocandesplazamientos desplazamientosde deλλmáx máx Compuesto aromático Banda B Benceno, C6H6 256 Tolueno, C6H5CH3 261 Fenol, C6H5OH Fenolato, C6H5O- 270 Desplazamiento batocrómico 287 Anilina, C6H5NH2 280 Ion anilinio, C6H5NH3+ 254 Cambio hipercrómico Cambio hipocrómico Desplazamiento hipsocrómico Aumento en la absorbancia Disminución en la absorbancia Absorción que implica electrones d y f Z Z Teoría del campo cristalino Z Energía dz2, dx2-y2 X X Y X dx2, dx2-y2 Y Y dxz dxy dyz dxy,dxz,dyz H Z H Ö Ö H H H Z dxy,dxz,dyz Ö Y Ö Y H H X Ö dx2-y2 H H X H Ö H H Campo ligando octaedrico dz2 ∆∆EEaumenta aumentacon conelelcampo campo(λ (λdisminuye) disminuye) 736 Cr(III) 6Cl 736nm nm Cr(III) 6Cl66HH2OO 573 nm 573 nm 2 66NH 462 NH33 462nm nm 66CN 380 CN380nm nm Absorción por transferencia de carga Reacción “redox” interna Sin campo ligando Fe(SCN)3 + hν → [Fe(II) SCN]* Desviaciones de la ley de Beer Desviaciones instrumentales Luz Luzpolicromática policromática (a) (a)un unhaz hazcon condos dosλ;λ; (b) (b)Para Paraλ’λ’yyλ’’ λ’’se secumple cumple lalaley de Beer ley de Beer Para λ’: A’ = log I0’/I’ = ∈’bc I0’/I’ = 10∈’bc I’ = I0’ 10-∈’bc Para λ”: A” = log I0”/I” = ∈”bc I0”/I” = 10∈”bc I” = I0” 10-∈”bc AM = log (I0’ + I0’’)/(I’ + I’’) AM = log (I0’ + I0”) – log (I0’ 10-∈’bc + I0” 10-∈”bc) Sólo si ∈’ = ∈’’; AM = ∈’ b c (se cumple la ley de Beer) Efecto lalarendija Efectode delalaanchura anchurayyposición posiciónde deAbsorbancia rendija --∈∈no nodebe debecambiar cambiar Banda A Banda A Absorbancia Banda B Banda B Longitud de onda Concentración Interacción entre absorbentes (si c >0.01 M) Efecto de n sobre ∈ - si c ↑, n ↑ - se produce atenuación de la luz Radiación parásita A’ = log (I0 + Is)/(I + Is) Efecto más significativo cuanto mayor es A Absorbancia Desviaciones químicas pH = 10 Producción de reacciones Efecto del pH (indicadores ácido-base, cromato – dicromato) - Punto isosbéstico - Efectos del disolvente pH = 2 325 350 375 400 Longitud de onda (nm) 425 Fuentes de emisión Instrumentación Selectores de λ Color observado Colocados antes de la muestra Filtros o monocromadores (red) Color absorbido ( complementario) Longitud de onda de absorción alrededor de 500 nm rojo verde por encima de 600 nm azul naranja-rojo sobre 450 nm amarillo violeta monocromadores b c a e d a: Rendija de entrada b: Espejo esférico c: Red de difracción d: Espejo esférico e: Rendija de salida Detectores cátodo Amplificador R Fuente (dc) luz cátodo Amplificador e indicador ánodo ánodo R 900 W Recipientes para la muestra (cubetas) Material transparente Cuarzo o sílice fundida (UV, λ < 350 nm) Plástico (VIS) Caras perfectamente paralelas Camino óptico entre 0.1 y 10 cm Deben mantenerse muy limpias No secarse en mufla o estufa Tipos de cubetas Cilíndricas (marcas) Rectangulares De muestreo De flujo Ejemplos de equipos empleados en VIS-UV Fotómetro de doble haz Fotómetro de un solo haz Cuña Obturador Fuente Referencia Referencia D D Fuente Filtro Filtro Obturador Muestra Fotómetro de sonda Fuente (W) Detector Muestra Fotómetro para HPLC de la columna Se Sesumerge sumergeen enlalamuestra muestra Determinaciones Determinacionesininsitu situ Muy útil en valoraciones Muy útil en valoraciones fotométricas fotométricas Filtro de interferencia (420-900 nm) Detector Fuente Fibra optica desecho Espejo Espectrofotómetros de haz simple Los hay para el VIS (380 – 800 nm) - Muy sencillos (Lámparas de W) - Análisis sobre todo cuantitativo - Ajuste del 0 y 100% T - Anchura de banda ≈ 20 nm Los hay para VIS-UV (190 – 800 nm) - Dos lámparas: W y D2 - Redes planas y cóncavas - Anchura de banda 2 – 8 nm - Tubo fotomultiplicador Espectrofotómetros de doble haz Anchura de banda 0.2 – 4 nm Espectrofotómetros multicanal Análisis simultáneo Pocos componentes: mayor rendimiento Barridos en 0.1 s desde 200 a 820 nm Re d Espejo colimador Detector de filas de diodos Espejo de enfoque Aplicaciones de la espectroscopía de absorción molecular VIS-UV Análisis cuantitativo Condiciones del analito Condiciones del disolvente Pasos a seguir Selección de λ Limpieza de las cubetas Curva de calibrado Estable No dar lugar a coloides o ↓ Solubilizar No absorber Características del método ☺ Elevada sensibilidad ☺ Moderada selectividad ☺ Buena precisión ☺ Fácil manejo ☺ Muy utilizado Disolvente λ (nm) Hexano 199 Heptano 200 Dietil eter 205 EtOH 207 2-PrOH 209 MeOH 210 Dioxano 216 Benceno 280 Propanona 331 Valoraciones fotométricas → Hay que corregir los efectos de la dilución Acorregida = Amedida Agitador magnético Vmuestra + Vvalorante Vmuestra → Se debe obedecer la ley de Beer ☺ Ventajas - Corrección del efecto de matriz - No reacciones completas fotómetro Absorbancia corregida Absorbancia corregida Absorbancia corregida Solo absorbe la muestra Solo absorbe el valorante La muestra no absorbe y el producto absorde mas que el valorante Volumen de valorante Absorbancia corregida El producto no absorbe y la muestra absorbe mas que el valorante Volumen de valorante Volumen de valorante Absorbancia corregida La muestra no absorbe y el valorante absorbe mas que el producto Volumen de valorante Volumen de valorante Absorbancia corregida Solo absorbe el producto Volumen de valorante Espectroscopía de derivada Se representa dnA/dλn versus λ Variable Banda Longitud de onda absorbancia Derivada primera 2ª derivada Segunda derivada Longitud de onda (nm) Ventajas Se consigue mayor resolución Se elimina el fondo Inconvenientes La sensibilidad baja Aparecen “picos satélite” Tabla resumen de aplicaciones de absorción VIS-UV APLICACIÓN Determinación málico APLICACIÓN de ácido Ácido ascórbico Su adición para conferir un mayor contenido ácido a alimentos está prohibida Medido para evaluar la autenticidad de zumos Complejos metálicos Se puede averiguar qué fracción de un metal está complejado Aplicaciones farmacéuticas Control de la calidad de los medicamentos Determinación de la pureza del DNA y RNA. Determinación de proteínas Útil en estudios de clonación y de biología molecular, bioquímica. Determinación de urea Ayuda a conocer el estado del estatus nutricional y de salud, ya que es un producto del metabolismo de las proteínas Determinación de actividad enzimática la Aplicaciones bioquímicas Determinación de colesterol Grandes concentraciones indican estero esclerosis, nefrosis, diabetes, etc. Determinación de drogas Determinación de fosfato Elevadas concentraciones en el plasma sanguíneo indican enfermedades renales Determinación de glucosa Relacionada con la diabetes mellitas Determinación de la DQO Útil para la evaluación de la contaminación orgánica Determinación de cloro en aguas de piscina El cloro libre da una idea directa de la capacidad desinfectante del agua Introducción a la luminiscencia VIS-UV. - Luminiscencia: Fluorescencia Fosforescencia Quimioluminiscencia - Intensidad de emisión α concentración - Ventajas e inconvenientes frente a absorción Teoría de la fluorescencia y fosforescencia Estado singulete fundamental Estado singulete excitado Estado triplete excitado Tiempo de vida singulete: 10-5 a 10-8 s Tiempo de vida triplete: 10-4 y varios s “Tiempo que se requiere para que la población en el estado excitado caiga hasta un valor de 1/e de su población inicial” Procesos de desactivación no radiativos Estados excitados singulete Relajación vibracional - Causada por el ambiente - Tiempo de vida: 10-12 s - λ aumenta Estado excitado triplete Conversión interna - Solapamiento de niveles energéticos vibracionales -Más probable que la fluorescencia Conversión externa - Interacción con el disolvente - Medios de elevada η o a baja temperatura Cruzamiento entre sistemas - Cambio en el espín Predisociación y Disociación λ1 λ2 Absorción Fluorescencia Relajación vibracional Conversión interna λ3 Estado fundamental λ4 Cruzamiento entre sistemas Conversión externa Fosforescencia Factores que afectan a la fluorescencia y fosforescencia φ= Rendimiento cuántico k f + k i + k ec kf + k ic + k pd + k d Nº de especies que producen fluorescencia con respecto al nº de excitadas Efecto de la estructura H O Efecto de la rigidez N bifenilo piridina fluoreno N furano pirrol N C H2 H N H N: H H + N H H + N H quinoleína indol Efecto de la temperatura y disolvente Efecto del pH anilina H H H N+ Ión anilinio Relación entre la concentración y la intensidad de emisión Haz de luz de excitación Haz de luz de emisión Rendija I F= =K’K’(I (I00-I)- I) I/I0 = 10-εbc F = K’I0 (1-10-εbc) F = K’ I0 [ 2.303 εbc – (2.303 εbc)2/2! + + (2.303 εbc)3/3! ...] F = K’ I0 2.303 ε b c F=Kc Rendija Log Fluorescencia Desviaciones de la linealidad Autoatenuación Autoabsorción Espectros de emisión y excitación Excitación Fluorescencia Antraceno Concentración 300 380 Long. de onda (nm) 460 Instrumentación Fuente Filtro/Monocromador de excitación Filtro/monocromador de excitación Muestra Fuente Atenuador del haz Filtro/monocromador de emisión Muestra Fotomultiplicador de muestra Fotomultiplicador de referencia Filtro/Monocromador de emisión Amplificador Pantalla Detector Fluorímetros Espectrofluorímetros Fosforimetría Aplicaciones Métodos fluorimétricos vs absorción Más sensibles Señal sólo depende de I0 Señal superpuesta sobre un fondo nulo Mayor selectividad Control de la calidad de un agua residual Al, B, Cu, Fe, Mn, Mo, Ni, Pb, Sn, U, V, Zn; cianuros, nitratos, nitritos, sulfuros; surfactantes aniónicos, benzo[α]pireno, formaldehido, surfactantes catiónicos, hidrocarburos en petróleos, fenoles Control de la calidad de un agua potable As, B, Be, Cr, Fe, Se, Si; fluoruros Análisis sedimentos de B, Zn, benzo[α]pireno, hidrocarburos en petróleos y Cu, Pb, Sn, Zn; aflatoxinas, estradiol, vitamina A, vitamina B1, vitamina B2, vitamina C, vitamina E, nitrosaminas volátiles Aplicaciones clínicas sanitarias Control emisiones industriales de Control de la calidad del aire Métodos fosforimétricos Complementarios con los fluorimétricos Pb; benzo[α]pireno, formaldehido, fenol Cu;, benzo[α]pireno, formaldehido, fenol Hidrocarburos aromáticos con átomos pesados Ácidos nucléicos y aminoácidos Análisis sobre soporte papel Sensores ópticos (optrodos) “Pequeño sistema capaz de reconocer de forma continua concentraciones de constituyentes químicos en líquidos o gases y convertir esta información en una señal eléctrica u óptica” Fibra óptica n 2 n3 θ n1 luz luz Reactivo Inmovilizado n3 < n2 < n1 Analito Reactivo Inmovilización pH (4-7) Fluoresceinamina Vidrio Al3+ Morina Celulosa Cl- Fluoresceína Coloide de plata TEMA 8. Espectroscopía molecular en el infrarrojo. Absorción y Raman 1.- Fundamentos de la absorción de radiación infrarroja 1.1.- Transiciones vibracionales. 1.2.- Oscilador armónico y no armónico 1.3.- Modos de vibración 1.4.- Intensidad de las bandas de absorción 2.- Instrumentación 5.1.- Fuentes 5.4.- Selectores de longitud de onda 5.5.- Detectores 3.- Instrumentos empleados en absorción IR 3.1.- Instrumentos dispersivos 3.2.- Instrumentos no dispersivos 3.3.- Instrumentos por transformada de Fourier 4.- Técnicas de manipulación de la muestra 5.- Aplicaciones, técnicas acopladas 6.- Fundamentos de la espectroscopía Raman 6.1.- Comparación con absorción IR 7.- Instrumentación 8.- Aplicaciones 9.- Comparación espectroscopía Raman – Absorción IR Fundamentos de la absorción de radiación Infrarroja Tipo de transición Rotación molecular Métodos espectroscópicos Región espectral Longitud de onda (m) Frecuencia (Hz) Absorción microondas Ondas de radio 10 10-7 1 Espectroscopía infrarroja FIR 10-2 10-3 10-4 1 cm 10-9 10-11 ν(cm-1)70 λ(µm)1000 MIR 10-5 VIS NIR 10-6 1 µm 10-13 10-7 10-15 50 FIR Fluoresc. Rayos X Espec. VIS-UV Infrarrojo (IR) Microondas 10-1 Transición electrónica Vibración molecular RX UV 10-8 10-9 10-10 1Å 10-17 12800 0.78 2.5 MIR NIR Más usado Estados vibracionales E Estados Rotacionales 3 2 1 2 Energía 0 E 1 3 2 1 0 E o Radiación IR 3 2 1 0 Molécula Vibración a una frecuencia νm Cambio en el momento dipolar Baja resolución Si νm = νIR Alta resolución Absorción de radiación Tipos de vibraciones Modelo mecánico Oscilador Osciladorarmónico armónico 1 νm = 2π k µ Energía potencial Modelo cuántico 1 E = (V + )hν m 2 (∆V = ±1) Energía de disociación v5 v4 v3 v2 v1 v0 Distancia interatómica Limitaciones: No se tiene en cuenta la repulsión entre átomos Ep cae al aproximarnos a la disociación molecular Oscilador no armónico Interacciones entre dos o más vibraciones de una molécula A nº cuánticos V superiores desviaciones de la energía Se observan transiciones a ∆V ± 2, ± 3 Bandas de sobretono Modos de vibración Molécula con N átomos Molécula lineal con N átomos nº modos = 3 N – 3 – 3 = 3N – 6 nº modos = 3 N – 3 – 2 = 3N -5 2330 cm -1 3650 cm -1 3760 cm -1 667 cm -1 H 2O + - CO2 1595 cm -1 Factores que dan lugar a más bandas de las previstas: Bandas de sobretono Bandas de combinación Factores que dan lugar a menos bandas de las previstas: La simetría de las moléculas no permite cambios en el dipolo Las energías de dos vibraciones son idénticas o casi idénticas La intensidad de absorción es tan baja que apenas es detectable La longitud de onda cae fuera del intervalo de trabajo del instrumento Intensidad de las bandas de absorción Energía (unidades arbitrarias) Instrumentación 1. Emisor de Nernst Fuentes Alambre de Pt Alambre calentador de Pt E (W/cm2/µm) T = 1000ºC Reflector T = 800ºC T = 600ºC 0.5 1 2 3 4 5 6 7 8 10000 1000 100 10 1 0 2 4 6 8 10 λ (µm) Útil para NIR y MIR Menor coeficiente de resistencia al T Fragilidad Refrigeración λ (µm) 3. Fuente de filamento incandescente 2. Fuente Globar Barra de SiC calentada Por debajo de 5 µm mayor energía que el emisor de Nernst Al aumentar T aumenta el coef. de resistencia eléctrico Alambre de Ni-Cr calentado eléctricamente Mayor vida media Concentra la mayoría de su energía en el MIR 12 Sistemas dispersivos de la radiación NaCl (2.5 – 15 µm) KBr, CsBr (15 – 40 µm) MIR LiF (1 – 5 µm) NIR, MIR 1. Filtros de interferencia 2. Prismas, Materiales frágiles 3. Redes de difracción Ventana Detectores Película tipo n Película tipo p Unión sensible (caliente) Unión de referencia (fría) Negro 1. Detectores térmicos Termopares Base y pozo de calor de Al Bolómetros Célula neumática de Golay Cámara neumática Espejo flexible Ventana 2. Detectores piroeléctricos InSn (77K) PbSnTe (77K) Respuesta 3. Detectores fotónicos PbSnTe (4K) 5 11 13 Long. Onda (µm) Detector Fuente (visible) Tipos de instrumentos empleados en IR 1. Instrumentos dispersivos de red Cuña Referencia Fuente Detector Cortador Muestra Monocromador % Transmitancia La muestra se coloca entre la fuente y moncromador Son de doble haz Compensan variaciones en la emisión de la fuente Compensan absorciones por el H2O, CO2, etc. H2O H2O 2 CO2 Longitud de onda (µm) Espectro del fondo con un equipo de haz simple CO2 16 2. Instrumentos no dispersivos Útiles para la determinación de un número reducido de compuestos Más baratos y sencillos que los anteriores Fotómetros de filtro Usan filtros de interferencia intercambiables Caminos ópticos elevados (de hasta unos 20 m) Detector Cortador Fuente Filtro Fotómetros sin filtro Cortador Cuña CO Muestra Referencia CO Detector CO CO Diafragma 3. Instrumentos basados en la transformada de Fourier y = a0 sen (0ω x) + b0 cos (0ω x)+ a1 sen (1ω x) + b1 cos (1ω x)+ a2 sen (2ω x) + b2 cos (2ω x)+ … Análisis de Fourier ∞ y = ∑ [a n sen(nϖx ) + bn cos(nϖx )] 2π 2π π ϖ = = = x 2 − x1 10 − 0 5 n =0 0 10 x n an bn 0 0 0.1369 1 -0.0069 -0.1607 2 0.01518 0.0377 3 -0.0144 0.0247 4 0.0079 -0.0437 5 0.000089 0.0349 6 -0.00481 -0.0188 7 0.0061 0.0046 8 -0.0044 0.0030 ν1 Transformada de Fourier Espectroscopía de dominio de tiempo (Intensidad vs tiempo) Fuentes monocromáticas P(t) P(ν) ν2 Tiempo P(u) Fuentes policromáticas ν1 ν2 P(t) P(ν) Espectroscopía de dominio de frecuencia (Intensidad vs frecuencia) Tiempo P(t) = k[cos(2πν1t)+cos(2πν2t) Espejo fijo Espejo móvil D C O B A F l M Divisor + λ/2 + λ/4 0 - λ/4 - λ/2 Radiación monocromática Muestra P(t) Fuente Detector λ λ/2 0 - λ/2 - λ δ , cm Vmτ = λ Vm 2Vm = f = = τ λ/2 λ 1 2 1 P(δ ) = P(ν ) cos(2πft ) 2 Onda coseno fig. a En la práctica se tiene en cuenta que el divisor no separa el haz en dos partes iguales (se introduce B) Vm = Para el interferograma de la Fig. b (transparencia anterior) f = 2Vmν δ P(δ ) = B(ν ) cos(2πft ) P(δ ) = B(ν ) cos(2π 2Vmν t ) Definiciones: Vm: velocidad de desplazamiento del espejo móvil τ: Tiempo necesario para que el espejo se mueva a λ/2 f: Frecuencia de señal en el detector P(δ): Potencia del haz en función del tiempo P(ν): Potencia del haz en función De la frecuencia 2t P(δ ) = B(ν ) cos(2πδ ν ) P(δ ) = B1 (ν ) cos(2πδ ν 1 ) + B2 (ν ) cos(2πδ ν 2 ) ∞ P(δ ) = ∫−∞∞ B(ν n ) cos(2πδ ν n )dν n B(ν ) = ∫ P(δ ) cos(2πδν n )dδ −∞ Para el interferograma de la Fig. c (transparencia anterior) Transformada de Fourier Resolución en espectroscopía de infrarrojos por transformada de Fourier (FTIR) ∆ν = ν 2 −ν 1 P(δ ) = B1 (ν ) cos(2πδ ν 1 ) + B2 (ν ) cos(2πδ ν 2 ) 2πδ ν 2 = 2πδ ν 1 + 2π = 2π (δ ν 1 + 1) ν 2 −ν1 = 1 δ Instrumentación en FTIR Divisor del haz FIR: película Mylar MIR: Ge ó Si sobre CsBr, CsI,… NIR: Fe2O3 sobre CaF2 Fuentes: las anteriores Detectores: piroeléctricos (sulfato de triglicina) Sistema de tracción del espejo: velocidad cte y posición exacta siempre conocida Ventajas Ventajasde delos losinstrumentos instrumentosde deFTIR: FTIR: ☺ ☺Mayor Mayorrendimiento rendimientode delala radiación radiación(mayor (mayorS/R) S/R) ☺ ☺Exactitud Exactitud precisión precisiónen enlala longitud longitudde deonda onda(mayor (mayorS/R) S/R) ☺ ☺Mayor Mayorrapidez rapidez Interferograma del fondo Transformada del fondo Interferograma de la muestra Transformada de la muestra Espectro de transmisión Fotómetros FTIR de haz simple Espejo fijo Detector 2 Espejo fijo Detector 1 Espejo móvil Fuente IR Fuente IR Detector láser Espejo móvil Muestra Fuente luz blanca Detector IR Detector IR Láser Muestra Láser Fotómetro FTIR de doble haz Espejo móvil Referencia Detector Muestra Espejo fijo Fuente Técnicas de manipulación de la muestra Muestras líquidas Zonas de utilidad del disolvente Conducción de llenado de la celda Espaciador Placa posterior Ventana de NaCl Disolución de la muestra Disulfuro de carbono Tetracloruro de carbono Tetracloroetileno Cloroformo Dimetilformamida Dioxano Ckclohexano Placa anterior Benceno 2 Los disolventes acuosos o alcohólicos no se pueden usar: Absorben fuertemente Atacan las ventanas de haluro Para trabajar con agua: Uso de ventanas de BaF2, AgCl, KRS-5 Camino óptico 0.1 – 1 cm Determinación de la longitud de paso de la cubeta Muestras gaseosas Ventanas de NaCl 4 % Transmitancia Ventana de NaCl 8 3200 Número de onda (cm-1) 2800 2400 2000 ν1 10 12 λ (µml 14 6 n 1 b= 2 ν1 − ν 2 b: camino óptico n: nº de máximos entre ν1 y ν2 ν2 Muestras sólidas Molienda de la muestra Molienda de la muestra Preparación de suspensión con Nujol Mezclado con KBr Elevada presión Colocación de un par de gotas en la celda Pastilla Espectroscopía de reflexión interna η1 sen θ1 = η2 sen θ2 η2 sen θ1 = sen θ 2 η1 η Si θ2=90º sen θ1 = 2 η1 dp = Espectroscopía de reflectancia total atenuada (ATR) Análisis de muestras sólidas difíciles de moler λc 2 π sen θ − ( ηs / ηc ) 2 2 1/ 2 del monocromador Muestra Muestra al detector Sólido con alto índice de refracción Aplicaciones de MIR Análisis cualitativo de compuestos orgánicos 1. Identificación de grupos funcionales 2. Comparación del espectro con los de otros compuestos Región de frecuencias de grupo (3600 – 1200 cm-1) Región de la huella digital (1200 – 600 cm-1) Número de onda (cm-1) 5000 3000 2500 1500 1400 1300 1100 1000 900 700 50 C-H tensión CH3-CH-CH-CH3 | | CH3 CH3 C-H flexión 2 5000 3000 8 Número de onda (cm-1) Longitud de onda (µm) 1500 1400 1300 1100 2500 % Transmitancia 100 0 15 1000 900 700 50 C-H tensión C-H flexión 2 8 Longitud de onda (µm) CH3-CH-CH2-CH3 | CH3 0 15 % Transmitancia 100 Aplicaciones cuantitativas Mayor inclumplimiento de la ley de Beer que en VIS-UV Picos más estrechos Mayor efecto de la anchura de la rendija Mayor dificultad en la selección de λ Mayor solapamiento de bandas (espectros más complejos) Mayor incentidumbre analítica debido a la estrechez de las cubetas Ataque de las ventanas de la cubeta por el disolvente Corrección de la radiación absorbida por el disolvente y dispersada por la celda Medida de la transmitancia para el disolvente y la muestra P Ts = Pr P0 T0 = Pr Ts P T= = T0 P0 % Transmitancia Método de la línea base λ (µm) Análisis de mezclas 50 0 12 13 14 50 0 15 12 metil benceno 100 % Transmitancia 100 % Transmitancia % Transmitancia 100 p-Xileno 13 λ (µm) 14 λ (µm) 100 50 0 15 12 13 14 100 % Transmitancia m-Xileno % Transmitancia O-Xileno 50 0 15 12 13 λ (µm) Monóxido de carbono Metiletilcetona Alcohol metílico Óxido de etileno Cloroformo 14 50 0 15 12 13 λ (µm) A1 = ∈1bc1 + ∈2bc2 + ∈3bc3 + ∈4bc4 A2 = ∈'1bc1 + ∈'2bc2 + ∈'3bc3 + ∈'4bc4 A3 = ∈''1bc1 + ∈''2bc2 + ∈''3bc3 + ∈''4bc4 A4 = ∈'''1bc1 + ∈'''2bc2 + ∈'''3bc3 + ∈'''4bc4 Análisis de contaminantes atmosféricos Contaminante Disolvente (hexano) Conc. ppm 50 100 100 50 100 14 λ (µm) λ1 λ2 λ3 λ4 Encontrado ppm 49.1 98.3 99.0 49.9 99.5 15 Limitaciones del análisis cuantitativo mediante MIR Hay que trabajar con anchuras de rendija grandes Uso de fuentes de baja intensidad Uso de detectores de baja sensibilidad Bandas estrechas Desviaciones ley Lambert – Beer Baja resolución Uso de células muy estrechas (las absortividades son altas) Dificultad elección disolvente y de los materiales Poca precisión Técnica lenta Espectroscopía Espectroscopíade deinfrarrojos infrarrojospor portransformada transformadade deFourier Fourier(FTIR) (FTIR) Espectroscopía Espectroscopíade deinfrarrojos infrarrojoscercano cercano(NIR) (NIR) Espectroscopía de infrarrojos cercanos Fuentes: lámparas de filamento de W Longitud de las cubetas: 0.1 – 10 cm Detectores: Fotoconductores de PbS Disolventes: Agua, CS2 y CCl4 Disolventes y regiones de utilidad ( ) en NIR Disulfuro de carbono Tetracloruro de carbono Cloruro de metileno Dioxano Benceno Acetonitrilo Dimetilsulfóxido 1.0 1.4 1.8 2.2 2.6 λ, µm Ventajas del NIR para análisis cuantitativo: ☺ Fuentes con mayor intensidad ☺ Detectores de estado sólido ☺ Posibilidad de trabajar con cuarzo o vidrio ☺ Bajas absortividades ☺ No requiere preparación de la muestra Inconvenientes: •Es una técnica empírica. Aplicaciones de NIR Aplicaciones farmacéuticas Análisis de píldoras Medida del número de capas en parches dérmicos Determinación de la composición de materiales empleados para fabricar medicamentos Análisis de polímeros Análisis cuantitativo en aditivos y resinas Análisis de recubrimientos En diferentes tipos de papel Análisis de alimentos Determinación del % de sucrosa en azúcar Determinación de azúcares en zumos Determinación de proteínas en alimentos para pescados Determinación de grasas en carnes Compuestos químicos Determinación el % de metanol y etanol en una disolución pulverizada Catálisis Identificación de catalizadores Análisis de petróleos Determinación aromáticos de compuestos 1. Análisis mediante método estándar 2. Selección de los patrones 3. Pulverización de la muestra 4. Medida NIR 5. Selección de λ de referencia 6. Calibrado 1940 nm 2310 nm Fundamentos de la espectroscopía Raman v´=2 v´=1 v´=0 Dispersión Rayleigh Estados virtuales Stokes hν0 h νf h ν0 I0 h νr I ≈ 10-8I0 anti-Stokes I≈10-4I0 hν0 hνs = h ν0 - ∆E h ν s = h ν 0 + ∆E v=2 v=1 v=0 Dispersión Raman Espectro Raman Stokes anti-Stokes Intensidad l0 línea de El Eldesplazamiento desplazamientoRaman Raman no delala nodepende dependede delalaλλde radiación radiaciónincidente incidente excitación - 0 + Desplazamiento Raman (cm-1) Espectro Raman versus IR Espectro IR Espectro Raman Aparecen Aparecenlas lasmismas mismasbandas bandassisilos los modos de vibración son activos en modos de vibración son activos enambos ambos procesos procesos Proporcionan Proporcionan información información complementaria complementaria Existen Existenmodos modosde devibración vibraciónactivos activosen enIR IR que no lo son en Raman que no lo son en Raman La Laintensidad intensidadrelativa relativade delas lasbandas bandases es diferente diferente O C O IR inactiva IR activa Raman activa Raman inactiva E = E0 cos (2 πνext) m = α E = α E0 cos (2 πνext) ⎛ ∂α ⎞ ⎟ ⎝ ∂r ⎠ α = α 0 + (r − req )⎜ r - req = rm cos (2 πνvt) ⎛ ∂α ⎞ ⎟rm cos (2πν v t ) ⎝ ∂r ⎠ α = α0 + ⎜ E: Campo eléctrico de la radiación incidente E0: Amplitud de la onda νext: Frecuencia de la radiación incidente m: Momento dipolar inducido α: polarizabilidad r: distancia entre dos núcleos en un instante dado req: distancia entre dos núcleos en el equilibrio α0: Polarizabilidad a la distancia req rm: separación internuclear máxima en relación con la posición de equilibrio νv: Frecuencia de vibración ⎛ ∂α ⎞ m = α 0 E 0 cos (2πν ex t ) + E 0 rm ⎜ ⎟cos (2πν v t ) cos (2πν ex t ) ⎝ ∂r ⎠ cos x cos y = [cos (x+y) + cos (x-y)]/2 m = α 0 E0 cos (2πν ex t ) + Rayleigh E0 ⎛ ∂α ⎞ E0 ⎛ ∂α ⎞ ( ) [ ] rm ⎜ cos 2 π ν + ν t + rm ⎜ ⎟ ⎟cos [2π (ν ex −ν v )t ] ex v 2 ⎝ ∂r ⎠ 2 ⎝ ∂r ⎠ Anti-Stokes Stokes La Ladispersión dispersiónRaman Raman tiene tienelugar lugarcuando cuandoexiste existecambio cambioen enla la polarizabilidad polarizabilidaddel delenlace enlace durante durantelalavibración. vibración. Relación de despolarización Raman z muestra Emisión Raman no polarizada x Haz incidente polarizado p= I perpendicular I paralela polarizador La Larelación relaciónde dedespolarización despolarizacióndepende depende de la simetría de los modos de de la simetría de los modos de vibración vibraciónreponsables reponsablesde delaladispersión. dispersión. Para Paramodos modosno nosimétricos simétricospp≥≥6/7 6/7 Para Paramodos modossimétricos simétricospp<<6/7 6/7 El Elvalor valorde depppermite permitecorrelacionar correlacionarlas laslíneas líneasRaman Ramancon conlos losmodos modosde de vibración vibración Instrumentación muestra monocromador detector fuente La Lafuente fuenteyyeleldetector detectorno noestán estánalineados alineados Fuentes Láser Láser Genera Generaradiación radiaciónmonocromática monocromática La Laradiación radiaciónes esmuy muyintensa intensa Tipo de láser Ion argón Ion criptón Helio/neón Láser de diodos Nd/YAG Ar Longitud de onda (nm) 488.0 o 514.5 530.9 o 647.1 632.8 782 o 830 1064 NdYAG Sistema de iluminación de la muestra Entrada del espectrómetro Diafragma muestra ventana láser Lente Lente del objetivo Capilar con la muestra Filtro de interferencia Entrada del espectrómetro Filtro de interferencia láser Información analítica Cualitativa •Existencia •Existenciade degrupos gruposfuncionales funcionalesen enlalamolécula molécula •Identificación •Identificacióndel delcompuesto compuesto Cuantitativa I = Kν ξC 4 K= constante que incluye la potencia del haz incidente ν= frecuencia de la radiación dispersada ξ= coeficiente de dispersión (característico de cada banda) C= concentración de la especie Espectroscopía Raman versus IR Proporciona información complementaria •Baja sensibilidad (baja intensidad de emisión) Utilizable con disoluciones acuosas (no existen bandas que puedan interferir en el espectro) •Con excitación visible, la fluorescencia del analito o de otras especies presentes puede superponerse con la señal e impedir la medida. Preparación de muestra mínima. Permite la utilización de materiales como vidrio y cuarzo. Adecuada para microanálisis.

métodos espectrocópicos de análisis

Related documents

Products

Support

métodos espectrocópicos de análisis

Related documents

Add this document to collection(s)

Add this document to saved

Suggest us how to improve StudyLib