Espectrofotometría
Es denomina espectrofotometría[1] al conjunt de tècniques d'anàlisis utilisades per a determinar la concentració de substàncies químiques en dissolució per mig de l'ocupació d'energia electromagnètica a llongituts d'ona prèviament seleccionades. Un fes de radiació electromagnètica, generalment en llongitut d'ona característica de les regions ultravioleta, visible o infrarroja, es fa passar a través de la dissolució que conté el analito. Part de la radiació és absorbida per les molècules presents i part és transmesa. La diferència entre l'intensitat lumínica inicial i la que finalment aplega al detector, despuix de travessar la dissolució, està relacionada en la concentració de la substància absorbent, per lo que, medint l'absorbancia o la transmitancia pot determinar-se la concentració (llei de Beer-Lambert)[2]
Fonamente
[editar | editar còdic]L'absorció de radiació ultravioleta, visible o infrarroja té interés en l'anàlisis per a l'identificació d'espècies tant orgàniques com a inorgàniques. La espectrofotometría que utilisa radiacions electromagnètiques de les regions ultravioleta i visible de l'espectre s'utilisa bàsicament en l'anàlisis quantitatiu, sent amprada extensament tant en els laboratoris d'anàlisis químic com en els de anàlisis clínic. L'espectroscòpia d'absorció infrarroja, especialment la corresponent a la regió mija del infrarrojo, entre aproximadament 2,5-25 μm de llongitut d'ona, és una ferramenta molt poderosa per a l'identificació i determinació de les estructures de composts orgànics i inorgànics, encara que també eixercita una funció molt important en l'anàlisis quantitatiu, sobretot, en l'anàlisis migambiental. [3] En la espectrofotometría s'utilisa principalment l'absorció de radiació electromagnètica en la zona del ultravioleta, visible i infrarroja de l'espectre, encara que també pot produir-se absorció de radiació electromagnètica en atres regions de l'espectre.
La radiació electromagnètica pot ser descrita tant en térmens de partícules (denominades fotons) com d'ones (teoria dual ona-corpúscul). Cada fotó de radiació electromagnètica du associat al seu moviment una cantitat energia, que depén de la freqüència de la radiació i ve expressada per mig de la coneguda com equació de Plank:
a on és la constant de Plank (6,626 x 10-34 J·s) i és la freqüència de la radiació en Hz. Quan una molècula absorbix un fotó, l'energia d'este fotó passa a la molècula, aumentant la seua energia. Es diu llavors, que la molècula ha passat d'un estat fonamental d'energia a un estat excitat. ya que l'energia dels fotons absorbits depenen de la freqüència de la radiació electromagnètica, depenent de la regió espectral i de la llongitut d'ona seleccionada, els efectes que tindran sobre la molècula seran diferents. Aixina, per eixemple. l'absorció de fotons de radiació de microones estimula el moviment rotacional de les molècules. La radiació infrarroja afecta al moviment vibracional de les molècules quan l'absorbixen, mentres que les radiacions visible i UV fan que els electrons passen a orbitales de major energia. Si els fotons són molt energètics, és dir la radiació és d'alta freqüència, com per eixemple, els rajos X i la radiació UV de llongitut d'ona curta (ultravioleta lluntà), es produïxen canvis irreversibles en les molècules, ya que es trenquen enllaços químics que ionizan a les molècules, per lo que són de menor interés en l'anàlisis quantitatiu.[4]
En la espectrofotometría es medix la cantitat de llum absorbida com a funció de la llongitut d'ona utilisada. L'absorció de les radiacions ultravioletas, visibles i infrarrojas depén de l'estructura de les molècules, i és característica de cada substància química. Existixen una série de lleis fonamentals que permeten relacionar la cantitat d'energia electromagnètica absorbida en la concentració de les espècies químiques que l'absorbix. La primera d'esta lleis va ser formulada inicialment per Bouguer en 1729 i posteriorment redefinida per Lambert, per lo que habitualment li la denomina en el nom d'este últim.[5]
Llei de Lambert
[editar | editar còdic]La llei de Lambert (o de Bouguer), en lo que a l'absorció de la radiació lluminosa es referix, establix de que cada unitat de llongitut d'un material absorbent homogéneu (solgut transparent o dissolució), a través del com passa la llum, absorbix la mateixa fracció de radiació, per lo que si un fes lluminós monocromàtic d'intensitat I es transmet a través de dit material, est anirà perdent intensitat lumínica d'acort en l'equació diferencial:
a on k és una constate de proporcionalitat que depén de la llongitut d'ona amprada, de la temperatura i del material de que estiga fet el mig absorbent i b és la distància recorreguda pel fes lluminós. El signe negatiu indica que es produïx una disminució de l'intensitat lluminosa. . L'equació pot modificar-se reordenando térmens:
que una volta integrada, s'obté l'expressió matemàtica de la llei de Lambert de l'absorció lluminosa:
que també pot expressar-se en notació logarítmica decimal:
La relació entre l'intensitat lumínica transmesa (I) i l'inicial (I0), es coneix en el nom de transmitancia (T) i lloc que té unitats d'intensitat per unitat de temps, també és freqüent expressar-la com irradiancia, P i P0.[5]
Llei de Lambert-Beer
[editar | editar còdic]La llei de Lambert és una llei que es complix per a qualsevol mig homogéneu, sòlit, líquit (incloses les dissolució) i gaseós sempre que no siga dispersivo. No obstant, en el cas de les dissolució químiques en substàncies absorbents, també té un gran efecte sobre la variació de l'intensitat lluminosa del fes de radiació electromagnètica, la concentració de dita substància. August Beer va trobar que un aument de la concentració de substància absorbent produïx el mateix efecte que un aument de la llongitut del pas òptic, b, en la llei de Lambert,[6] redefinint dita llei en térmens de concentració:[7]
A l'inversa de la transmitancia, T la denomine absorbancia, A, de manera que l'anterior llei de Lambert va quedar modificada com:
en lo que, agrupant térmens, queda l'expressió matemàtica coneguda com a llei de Beer.[4][8]
a on ara k representa la proporcionalitat conjunta entre absorbancia i el pas òptic multiplicat per la concentració. Encara que va ser Beer el que va relacionar la cantitat de radiació transmesa a través d'una dissolució, en la concentració de les substàncies absorbents, en estar basada en una llei anterior, a sovint es referència a ella com Llei de Lamber-Beer o inclús, en reconeiximent al primer científic que va entrevore la mateixa, com a Llei de Bouguer-Lamber-Beer. Esta llei afirma que "a major concentració, major absorbancia", i que si es manté la distància o recorregut òptic constant, la relació en la concentració de substància absorbent és llineal, aspecte este molt important en l'anàlisis químic quantitatiu, ya que permet determinar la concentració en dissolució d'aquelles substàncies que presenten algun tipo de absortividad, be a la radiació infrarroja com a la visible o a la ultravioleta.
Finalment, sobre unitats es referix, la absorbancia és una magnitut adimensional, sense unitats, puix prové del cocient d'una magnitut física (I o P), mentres que el pas òptic, b és freqüent expressar-ho en cm, puix la majoria de les celes a on es coloca la mostra en els aparats de mida a penes tenen un o dos centímetros en el cas de l'espectrofotometria ultravioleta-visible o d'uns pocs milímetros en l'espectrofotometría infrarroja. Si la concentració s'expressa en g/L, k (a voltes se substituïx per ɑ) es denomina absortividad específica i té unitats són L·g-1·L-1 i si s'expressa en unitats internacionals, M, se substituïx k (o ɑ) per ɛ (epsilon) i la magnitut rep el nom de absortividad molar, sent les seues unitats M-1·cm-1. Com la absortividad depén de la llongitut d'ona amprada, a sovint s'indica esta com un subíndex i l'unitat de llongitut. Aixina per eixemple, si la mida es fa a λ = 530 nm, l'equació de Beer quedaria:[9]
Mida de la absorbancia
[editar | editar còdic]La espectrofotometría implica la mida de la fracció de radiació electromagnètica d'una llongitut d'ona determinada que travessa una dissolució que conté la mostra a analisar. En esta finalitat s'han dissenyat diferents instruments que genèricament reben el nom d'espectrofotómetros. La majoria dels espectrofotómetros consten d'una série de components bàsics:[10]
- Font de radiació adequada a la regió de l'espectre electromagnètic empleada.
- Selector de llongitut d'ona.
- Cubetas o celes per a contindre la mostra.
- Un detector de radiació que convertixca l'energia radiant en una senyal elèctrica mesurable.
- Un processador de la senyal que permeta la llectura de la senyal elèctrica procedent del detector.
La font de radiació, generalment és una font d'emissió contínua, és dir emet l'energia radiant de manera ininterrompuda en un ampli interval de llongituts d'ona, encara que en algunes aplicacions molt concretes i específiques s'utilisen fonts d'emissió en llínees discretes, com a làsers. ya que l'absorció dels fotons es produïx a una llongitut determinada, cal dirigir el fes de radiació cap a un selector de llongitut d'ona, que be, per mig d'un sistema de filtres elimine la major part de les llongituts d'ona no seseadas o be, per mig d'un monocromador (prisma òptic o ret de difracció) seleccione una banda estreta de llongituts d'ona lo més pròxima possible a la llongitut d'ona analítica; és dir, la que s'absorbix preferentment. Esta llum monocromàtica travessa una mostra líquida que es troba continguda en l'interior d'una cela de mija, habitualment denominada cubeta de mostra. Despuix de travessar la mostra, el fes de radiació parcialment absorbit és dirigit cap al detector, que és un dispositiu capaç de convertir la radiació electromagnètica incident en una chicoteta corrent elèctrica, de major intensitat quant major és la cantitat de fotons que apleguen al detector. Esta senyal elèctrica és degudament processada per a que puga ser medida i per mig dels dispositius adequats, poder ser llegida en magnituts d'absorbancia o d'transmitancia.[11]
Espectrofotómetros
[editar | editar còdic]No existix un tipo d'espectrofotómetro capaç de medir la absorbancia en tot l'interval espectral comprés entre el ultravioleta pròxim i el infrarrojo mig, que són les zones espectrals d'us habitual en la espectrofotometría d'absorció. Tant els components electrònics per a l'emissió o detecció de l'energia radiant, aixina com el material òptic empleat per a lents, cubetas, etc. deu ser l'adequat per a cada tipo de radiació. Com a elements emissors o fonts de radiació contínua, s'utilisen llànties de deuteri o llànties d'hidrogen quan l'absorció de la radiació va a ser medida en el ultravioleta pròxim, ya que estos gasos, estimulats per mig de descàrregues elèctriques de baix voltage, emeten de forma contínua este tipo de radiació entre 160 i 375 nm. Per a mides en la regió visible, la font de radiació més habitual sol ser una llàntia halógena de filament de wolframio, que emet radiació útil en l'interval dels 350 als 2500 nm.[10] Sobre l'infrarrojo mig, que cobrix la regió espectral de llongituts d'ona entre 2500 nm (2,5 μm) i 50 μm, que és a on es produïxen els canvis en els moments de vibració de les molècules, la fonts habitualment utilisades són sòlits inertes que calfats a temperatures de 1500 a 2000 K tenen comportaments similars al d'un cos negre ideal en un màxim d'emissió radiant al voltant d'1,5 μm de llongitut d'ona. Els dispositius més utilisats són la font globar (una vareta de carbur de silici calfada a uns 1500 K ) i l'emissor de Nernst; un chicotet cilindre buit format per una mescla d'òxits d'itri i tori que, prèviament calfat, es convertix en conductor elèctric, encara que en una resistència que fa que alcance un temperatura pròxima als 2000 K.[12] Alguna cosa similar ocorre en els detectors; no existix un detector universal que cobrixca tot l'espectre entre el ultravioleta i el infrarrojo. Per a les regions del ultravioleta i del visible, els detectors més senzills i versàtils són els fototubos i els tubos fotomultiplicadores; encara que en els espectrofotómetros més moderns és molt freqüent que es fabriquen en detectors basats en dispositius d'acoplament de càrrega (CDD), molt més sensibles. Per a la detecció de radiació infrarroja habitualment s'utilisen termoparells i bolómetros i dispositius piroeléctricos; és dir, sensors que generen una càrrega elèctrica en resposta a variacions de temperatura. [13]
Sobre els materials en els que es fabriquen estos components, també estan afectat pel tipo de radiació electromagnètica a amprar. És condició indispensable que les celes, finestres, lents, espills i elements per a seleccionar llongituts d'ona de l'espectrofotómetro no absorbixquen el tipo de radiació utilisant, permetent la reflexió, en el cas dels espills, o la transmissió, en el cas de finestres, lents, etc. sense a penes pèrdues d'intensitat radiactiva, tant si és per dispersió com per absorció. En conseqüència, materials de vidre no són adequats en la espectrofotometría que utilisa radiació ultravioleta, ya que este material absorbix radiació ultravioleta a llongituts d'ona menors que aproximadament 380 nm, mentres que en la regió del infrarrojo mig el vidre, el cuarzo i la sílice fosa absorbixen a llongituts d'ona majors que aproximadament 2.5 μm (2500 nm). En conseqüència, els elements òptics per a espectrometria IR generalment estan fets de sals de halógeno o en alguns casos de materials polimèrics; els espectrofotómetros per a visible (també coneguts com colorímetros) utilisen òptica de vidre de calitat, ya que és molt econòmic, pero si es desija un espectrofotómetro que permeta fer tant medides en el ultravioleta pròxim (λ > 190 nm) com en la regió visible, alguna cosa molt freqüent, l'espectrofotómetro deu utilisar òptica de cuarzo o de sílice fosa.[10]
Tipos d'espectrofotómetros
[editar | editar còdic]En el mercat hi ha disponibles diversos tipos d'espectrofotómetros, la majoria dedicats a l'anàlisis espectrofotométrico UV-vis, el més habitual i estés. Alguns són molt senzills i econòmics, dissenyats específicament per a treballar en radiació visible (colorímetros i fotómetros de filtres), pero també hi ha complexos aparats d'ampli ranc que permeten medir tant en ultravioleta, com en radiació visible i infrarroja pròxima. En general, existixen dos classes principals de dispositius: de fes simple i de doble fes.
Els espectrofotómetros de fes simple són molt senzills i requerixen un òptica més simple que els de doble fes. En estos espectrofotómetros, la radiació lluminosa procedent de la font s'aïlla, per mig de filtres o en un monocromador, una banda estreta de llongitut d'ona adequada al analito que es va a determinar, fent-la passar a través d'una mostra, i es medix per mig d'un detector. Primer es medix l'irradiancia (P0 W/m2 o I0) que aplega al detector fent passar el fes de radiació monocromàtica per una cubeta de referència (un blanc de dissolvent o de reactiu), colocada en el compartimiento de mostres. Despuix d'esta operació, se substituïx el blanc per la mostra i es repetix l'operació, obtenint-se el valor de P o I. Quant major siga la absorbancia, mes pròxim a zero serà la relació P/P0; és dir , la transmitancia. Una volta realisada les mides, és possible determinar la concentració, per mig de l'aplicació de la llei de Beer. Este tipo d'instruments presenta alguns inconvenients, el principal és que en tindre que colocar la mostra i la referència de forma alterna en el camí del fes el treball és alguna cosa tediós i si cal fer mides a diferents llongituts d'ona, cal seleccionar la nova llongitut d'ona i ajustar l'espectrofotómetro, ya que les fonts de radiació no emeten en la mateixa intensitat per a cada llongitut d'ona. Ademés, un instrument de fes simple és poc indicat per a medir absorbancia en funció del temps, com en treballs de cinètica, perque tant l'intensitat de la font com la resposta del detector van variant llentament.[14]
Un espectrofotómetro de doble fes compara simultàneament l'intensitat de la llum entre dos trayectòries òptiques: una en una mostra de referència i l'atra en la mostra de prova. Per mig de diferents dispositius, el fes de radiació monocromàtica es dividix en dos fas d'igual intensitat. Un d'ells passa a través de la dissolució de referència cap a un fotodetector, mentres que l'atre passa simultàneament a través de la mostra a un segon fotodetector igualat. En atres dissenys els fas se separen en el temps per mig d'un espill de sectors rotatoris que dirigix el fes complet a través de la cela de referència i posteriorment, casi simultàneament, a través de la cela de mostra i es dirigixen cap a un únic detector.[15]
Si be les medicions comparatives dels instruments de doble fes sò més senzilles i estables, els instruments de fes simple oferixen un major ranc dinàmic i són ópticamente més simples i compactes. Ademés, alguns instruments especialisats, com els espectrofotómetros integrats en microscopis o telescopis, són de fes simple per raons pràctiques.
Referències
[editar | editar còdic]- ↑ «[1]». Consultat el 9 de maig de 2017 (en és-MX).
- ↑ Viresa. «Espectrofotometría, un alvanç en la ciència». viresa.com.mx. Consultat el 2026-03-28.
- ↑ Douglas A. Skoog, Donald M. West, F. James Holler and Stanley R. Crouch. (2015). Fonaments de química analítica, Cengage Learning, p. 722. ISBN 978-607-519-937-6.
- ↑ 4,0 4,1 Harris, Daniel C. (2016). «Cap. 18.2 Absorció de llum», Anàlisis Químic Quantitatiu, Barcelona: Reverté. ISBN 978-84-291-7225-6.
- ↑ 5,0 5,1 Olsen, Eugene D. (1986). «Cap. 1-5. Lleis de l'absorció de la radiació», Métodos òptics d'anàlisis, Barcelona: Reverté. ISBN 84-291-4324-6.
- ↑ Hudson, John (1992). The history of chemistry, Chapman & Hall, p. 238. ISBN 978-0-412-03641-5.
- ↑ Annalen der Physik.162(5)
- 78–88.ISSN 0003-3804.doi:10.1002/andp.18521620505.Consultat el 2026-04-16.
- ↑ «1 Introducció a la Espectroscopía d'Absorció Molecular Ultravioleta, Visible i Infrarrojo Propenc». Archivat des d'el original, el 30 d'abril de 2015. Consultat el 10 de maig de 2015.
- ↑ Rubinson, Kenneth A.; Rubinson, {{{nom2}}} (2000). «Cap. 8.8. Espectrometria d'absorció», Anàlisis instrumental, Prentice Hall. ISBN 84-205-2988-5.
- ↑ 10,0 10,1 10,2 Douglas A. Skoog, Donald M. West, F. James Holler and Stanley R. Crouch. (2015). «Cap. 25A. Components instrumentals», Fonaments de química analítica, Cengage Learning. ISBN 978-607-519-937-6.
- ↑ Harris, Daniel C. (2016). «Cap. 18.3 Mida de la absorbancia», Anàlisis Químic Quantitatiu, Barcelona: Reverté. ISBN 978-84-291-7225-6.
- ↑ Skoog, D. A.; Holler, F. J.; . Crouch, S. R. (2008). «Cap. 7B. FUENTES DE RADIACIÓN», Principis d'anàlisis instrumental, Mexico: Cengage Learning. ISBN 607-481-390-6.
- ↑ Skoog, D. A.; Holler, F. J.; . Crouch, S. R. (2008). «Cap. 7E.5. Transductores tèrmics», Principis d'anàlisis instrumental, Mexico: Cengage Learning. ISBN 607-481-390-6.
- ↑ Harris, Daniel C. (2016). «Cap. 2o Espectrofotómetros», Anàlisis Químic Quantitatiu, Barcelona: Reverté, p. 462. ISBN 978-84-291-7225-6.
- ↑ Douglas A. Skoog, Donald M. West, F. James Holler and Stanley R. Crouch. (2015). «Cap. 25B.2. Instruments de doble fes», Fonaments de química analítica, Cengage Learning. ISBN 978-607-519-937-6.
- Este artícul conté una traducció derivada de «Espectrofotometría» de Wikipedia en castellà publicada baix la Llicència de documentació lliure de GNU i la Llicència Creative Commons Reconeiximent-CompartirIgual 4.0 Internacional.