tema 3.- componentes de los instrumentos espectroscópicos

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TEMA 3.- COMPONENTES DE LOS INSTRUMENTOS ESPECTROSCÓPICOS
Departamento de Química Analítica y
Tecnología de Alimentos
A N Á L I S I S I N S T R U M E N TA L
I
TEMA 3.- COMPONENTES DE LOS INSTRUMENTOS
ESPECTROSCÓPICOS
 Elementos básicos de la instrumentación utilizada.
 Fuentes
 Selectores de longitud de onda: filtros de absorción y de interferencia y
monocromadores de prisma y red
 Recipientes para las muestras
 Detectores (fotónicos y térmicos)
TEMA 3.- COMPONENTES DE LOS INSTRUMENTOS ESPECTROSCÓPICOS
 Los instrumentos usados para estudiar la absorción o la emisión de la radiación
electromagnética en función de la λ son conocidos como ESPECTROFOTÓMETROS y
constan de 5 elementos básicos :
1. Fuente estable de energía radiante.
2. Dispositivo que aísle una determinada región del espectro.
3. Recipiente transparente a la radiación para contener la muestra.
4. Detector de radiación que convierte a la energía radiante en una señal de medida.
5. Indicador de señal : sistema de procesamiento y lectura de la señal
TEMA 3.- COMPONENTES DE LOS INSTRUMENTOS ESPECTROSCÓPICOS
MATERIALES
DE LOS
COMPONENTES
OPTICOS
En la Figura se
muestran que tipo
de material se
emplea en función
de la λ (región
espectral)
para
cubetas , ventanas,
lentes, prismas y
selectores de λ.
TEMA 3.- COMPONENTES DE LOS INSTRUMENTOS ESPECTROSCÓPICOS
FUENTES DE
RADIACIÓN Y
DETECTORES
En la Figura se
resumen los
diferentes
sistemas de
detección de la
señal así como las
fuentes usadas en
función de la λ
(región espectral).
TEMA 3.- COMPONENTES DE LOS INSTRUMENTOS ESPECTROSCÓPICOS
1.- FUENTES DE RADIACIÓN
 Su misión es la generación de un haz de radiación con suficiente potencia de salida y
estabilidad para que se detecte y se mida con facilidad.
 Pueden ser CONTINUAS , que emiten radiación que varia su intensidad en un amplio Δλ y
DISCONTINUAS O DE LÍNEAS, que emiten un número limitado de líneas o bandas de
radiación, cada una de las cuales abarca un limitado Δλ.
FUENTES USADAS EN ESPECTROSCOPÍA
FUENTE
Δλ (nm)
TIPO DE ESPECTROSCOPIA
Lámpara de Xenón
250-600
Fluorescencia molecular y Raman
Lámpara de
160-380
Absorción molecular (UV)
Hidrogeno/Deuterio
Lámpara de Wolframio
350-2200
Absorción molecular (Visible/IR cercano)
CONTINUAS
Lámpara de
Absorción molecular (UV/Visible/IR
240-2500
Wolframio/Halógeno
cercano)
Lámpara de Nicrom
750-20000
Absorción molecular (IR)
Lámpara de Nernst
400-20000
Absorción molecular (IR)
Fuente Globar
1200-40000
Absorción molecular (IR)
Lámpara de Cátodo hueco
UV-Visible
Absorción y fluorescencia atómica
Lámpara de descarga sin
UV-Visible
Absorción y fluorescencia atómica
electrodos
DE LINEAS
Lámpara de vapor
Absorción atómica, Fluorescencia molecular
UV-Visible
metálico
y Raman
Absorción molecular , Fluorescencia
Lámpara LASER
UV-Visible-IR
molecular y Raman
TEMA 3.- COMPONENTES DE LOS INSTRUMENTOS ESPECTROSCÓPICOS
UV
CONTINUAS
1.- FUENTES DE RADIACIÓN
Visible/IR
Lámpara de Wolframio
Lámpara de Deuterio
Arco de Xenón
TEMA 3.- COMPONENTES DE LOS INSTRUMENTOS ESPECTROSCÓPICOS
2.- SELECTORES DE LONGITUD DE ONDA
Para la mayoría de los métodos espectroscópicos se necesita
una radiación constituida por un grupo limitado y continuo
de λ estrechas denominado banda.
Para aislar una banda estrecha se utilizan dos tipos de
selectores: FILTROS Y MONOCROMADORES
 FILTROS
Su objetivo consiste en absorber toda la radiación
procedente de la fuente continua excepto una banda. Se
caracterizan por su λ de transmisión máxima y el ancho
efectivo de banda, que es la anchura de la banda para que la
absorbancia se reduzca a la mitad. Pueden ser de dos tipos:
 De Absorción : Limitan la radiación absorbiendo ciertas
regiones del espectro, y que producen anchos efectivos
de banda entre 30 y 250 nm.
 De Interferencia: Se basan en la interferencia óptica
para producir bandas relativamente estrechas.
Se
construyen con un dieléctrico transparente, CaF2 MgF2,
que ocupa el espacio entre dos películas metálicas
semitransparentes muy delgadas, generalmente de Ag.
Todo ello colocado entre dos capas de vidrio
transparente.(Siguiente diapositiva)
FILTROS
TEMA 3.- COMPONENTES DE LOS INSTRUMENTOS ESPECTROSCÓPICOS
FILTROS DE INTERFERENCIA.
 El grosor de la capa dieléctrica, t, se controla cuidadosamente y determinará la λ que
se transmite.
 Para que exista reforzamiento en 2 (rayo reflejado en λ ´ produzca una interferencia
constructiva con el rayo que incide en 2), la diferencia de camino óptico entre los
rayos debe ser un múltiplo entero de la λ en el medio dieléctrico.
∆camino óptico = 11′ + 1′2 =  ′
∆camino óptico = 
cos 
+
 
= 2
 
Si incide perpendicularmente
cos  = 1 ⇒  ′ = 2
 = ′ 
′ = 

 = índice de refracción del dieléctrico
Longitud de onda transmitida
 = 2 
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MONOCROMADORES
COMPONENTES
Y TIPOS DE
MONOCROMADORES
Dispersan la radiación separando espacialmente las distintas λ de la luz policromática
proporcionando bandas de anchura pequeña. Varían de forma continua y en un amplio Δλ y al
mismo tiempo aíslan una pequeña banda de la luz policromática.
COMPONENTES:
1. Rendija de entrada
2. Lente colimadora o espejo cóncavo que produce un haz paralelo de radiación
3. Elemento que dispersa la radiación en sus longitudes de onda individuales: prisma o red
4. Elemento de enfoque de salida
5. Rendija de salida
TEMA 3.- COMPONENTES DE LOS INSTRUMENTOS ESPECTROSCÓPICOS
TEMA 3.- COMPONENTES DE LOS INSTRUMENTOS ESPECTROSCÓPICOS
 RECIPIENTES PARA LAS MUESTRAS
 Todos los métodos espectroscópicos , excepto los atómicos emplean un recipiente que
contenga a la muestra.
 Reciben el nombre de celda o cubeta y se fabrican de :
 plástico o vidrio (para la región Visible)
 sílice fundido (cuarzo) (para la región Visible y UV por debajo de 350 nm e IR hasta
3000 nm )
 vidrio de silicato para medidas entre 375 y 2000 nm (V e IR)
 NaCl para la región del IR
 La longitud mas común en la trayectoria de las cubetas para Visible y UV, suele ser de 1 cm,
aunque las puede haber menores o mayores.
 Hay cubetas acopladas a los sistemas de medidas continuas (FIA o HPLC), a través de las
cuales pasa el flujo de muestra.
TEMA 3.- COMPONENTES DE LOS INSTRUMENTOS ESPECTROSCÓPICOS
 RECIPIENTES PARA LAS MUESTRAS
Portacubetas
Cubeta: disolución de medida
Refrigerante: baño termostático ,
Peltier cooler
TEMA 3.- COMPONENTES DE LOS INSTRUMENTOS ESPECTROSCÓPICOS
 DETECTORES
 Un detector es un dispositivo que convierte una propiedad física en una señal de medida , si
esa señal es eléctrica y puede amplificarse, manipularse y finalmente convertirse en números
que representan la magnitud de la señal original, se trata de un transductor.
 Un transductor ideal de radiación electromagnética debe responder rápidamente a bajos
niveles de energía radiante en un amplio Δλ.
 Ésa señal eléctrica producida debe ser directamente proporcional a la potencia del haz P :
 =  +  ∗ donde  es la respuesta eléctrica del detector en unidades de corriente,
resistencia o potencial ,  la potencia  la sensibilidad del detector y  ∗ la que mide el
detector cuando no llega radiación y que se puede y debe compensar electrónicamente para
que su valor sea 0.
 TIPOS DE DETECTORES
 FOTÓNICOS :
 Se basan en la interacción de la radiación (fotones) con una superficie reactiva que
produce electrones (fotoemisión) o que eleva electrones a estados de E a los cuales
pueden producir electricidad (fotoconducción).
 Su uso esta restringido a las regiones UV-Visible, ya que los fotones de estas  no tienen
suficiente E para producir fotoemision en la región del IR
 DE CALOR O TERMICOS :
 Poseen una diminuta superficie ennegrecida que al absorber la radiación IR (E), y en
consecuencia aumenta la temperatura, ese aumento se convierte en una señal eléctrica
que se amplifica y se mide.
TEMA 3.- COMPONENTES DE LOS INSTRUMENTOS ESPECTROSCÓPICOS
 TIPOS DE DETECTORES :
 FOTÓNICOS
1. Fototubos: emisión de electrones de una superficie sólida fotosensible.
2. Tubos fotomultiplicadores: superficies fotoemisoras que emiten una cascada de electrones
provocada por electrones procedentes del área fotosensible.
3. Fotodiodos de silicio: los fotones aumentan la conductancia a través de una unión p/n .
4. Detectores de Fotoconductividad o diodos en fila : aumento de conductividad debido a la
producción de electrones y huecos en un semiconductor.
5. Células fotovoltaicas o de capa-barrera: la energía radiante genera una corriente en la
interfase entre una capa semiconductora y un metal
 TERMICOS
1. Termopar o termopila: Una o varias parejas de metales diferentes entre los que se
desarrolla una diferencia de potencial, cuando sus temperaturas son distintas.
2. Bolómetro : un conductor (Pt o Ni) o semiconductor (Óxidos de Ni o Co), cuya R cambia en
función de la temperatura.
3. Celdas neumáticas : Cámara cilíndrica con gas Xenón con una membrana transparente y
ennegrecida que al absorber IR se calienta
DETECTORES PARA ESPECTROSCOPÍA
y calienta el gas. El otro extremo es una
TIPO
Δλ (nm)
membrana que se desplaza por la presión
Fototubos
150-1000
del gas al aumentar la temperatura, la cual
Tubos fotomultiplicadores 150-1000
se determina a partir de su posición.
DE FOTONES
Fotodiodos de Silicio
350-1100
4. Celdas piezoeléctricas: Cristales de material
Fotoconductores
750-3000
piezoeléctrico ( titanato de bario o sulfato de
Células fotovoltaicas
370-780
triglicina) situados entre dos electrodos (uno
Termopares
600-20000
transparente al IR) se desarrolla un voltaje que
Bolómetros
600-20000
TERMICOS
pende de la temperatura, que se mide y se
Celdas neumaticas
600-40000
amplifica.
Celdas piroeléctricas
1000-20000
TEMA 3.- COMPONENTES DE LOS INSTRUMENTOS ESPECTROSCÓPICOS
 FOTOTUBOS
 Está formado por un cátodo semicilíndrico y un ánodo de filamento
en una ampolla de cuarzo o vidrio donde se ha hecho el vacío.
 Entre los electrodos se aplica un voltaje y el material fotosensible
del cátodo (generalmente óxidos de metales alcalinos) emite
electrones al ser irradiado : Efecto fotoeléctrico.
 Debido al voltaje aplicado entre los electrodos, los electrones se
dirigen al ánodo, por el circuito fluye una corriente cuya intensidad
es directamente proporcional a la intensidad de la radiación que la
provoca.
 Se emplea en UV-V (150-1000 nm)
 TUBOS FOTOMULTIPLICADORES.
 Es un fototubo con una superficie fotoemisora (cátodo
fotosensible), y varias superficies adicionales que emiten
una cascada de electrones cuando son alcanzadas por los
electrones procedentes del área fotosensible (dinodos)
 Al incidir cada fotoelectrón sobre la superficie del dinodo
cada electrón acelerado produce nuevos electrones, que se
aceleran hacia el dinodo 2, y así sucesivamente,
amplificándose la señal.
TUBO FOTOMULTIPLICADOR
TEMA 3.- COMPONENTES DE LOS INSTRUMENTOS ESPECTROSCÓPICOS
 FOTODIODO DE SILICIO
 El Si cristalino es un semiconductor , donde sus cuatro electrones se combina con otros cuatro
átomos de Si y si un  − se mueve deja un hueco, que es ocupado por otro conduciendo la
corriente eléctrica.
 La conductividad aumenta considerablemente si es dopado (≅1 ppm) con As (5  − en su ultima
capa ) se crea un exceso de  − (semiconductor Tipo n) o con Ga (3  − en su ultima capa ) se
crea un exceso de huecos (Semiconductor Tipo p)
 La tecnología del silicio permite fabricar uniones pn o diodos pn, que es un conductor en una
dirección y no en otra (los  − se mueven de n a p, es decir hacia los huecos ). En ese caso el
diodo esta polarizado, la región p se une al polo (+) y la n al (-).
 Cuando la unión se hace al contrario el diodo presenta una polarización inversa y se emplea
como detector de fotones.
 Los fotones UV y Visible crean electrones y huecos en la capa vacía de la unión pn. El aumento
de conductividad se mide fácilmente y es proporcional a la potencia radiante P.
FOTODIODOS DE
SILICIO
Tipo n
Tipo p
TEMA 3.- COMPONENTES DE LOS INSTRUMENTOS ESPECTROSCÓPICOS
 DETECTOR DE FILA DE DIODOS
 Se pueden fabricar chips de Si que contienen mas de
mil fotodiodos (0,02mm cada uno)
 Con uno o dos de estos detectores colocados en el plano
focal (Figura) del monocromador pueden medirse de
forma simultanea todas las longitudes de onda.
 El chip contiene un condensador y un interruptor
electrónico por cada diodo.
 Los espectrofotómetros con estos detectores se
denominan multicanales.
 CELULAS FOTOVOLTAICAS
 Es el transductor mas sencillo y económico .
 Está formado por dos electrodos, uno metálico (de Cu o
Fe) y otro semiconductor (de Se, Hg-Cd-Te u CuO)
 Al incidir la radiación, el semiconductor se vuelve
conductor y la energía radiante genera una corriente en la
interfase.
 Se rompen los enlaces y se liberan electrones y huecos
positivos.
 Los electrones migran hacia la película metálica y pasan
al circuito externo para recombinarse con los huecos que
migran hacia el metal base creándose una corriente cuya
magnitud es proporcional al número de fotones que
inciden.
DETECTORES DE FILA DE
DIODOS
CELULA FOTOVOLTAICA

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