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8/9/2019 Qumica Analtica Instrumental Umss
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Qumica Analtica Instrumental
2013 Dr. Jos Mara Fernndez lvarezFacultad de Ciencias
Universidad de Navarra
Qumica Analtica InstrumentalTema 1.-Fundamentos de espectroscopa. La radiacin electromagntica. Propiedadesondulatorias de la radiacin. Aspectos mecanocunticos de la radiacin. Espectroscopaatmica y molecular.
Tema 2.-Diseo y componentes de los instrumentos espectroscpicos. Fuentes deradiacin. Clulas. Selectores de longitud de onda. Detectores. Tratamiento de seales.
Tema 3.-Espectroscopa UV-visible. Sistemas que absorben en el UV-visible. Ley de Beer.Instrumentacin. Mtodos y aplicaciones.
Tema 4.-Espectroscopa de luminiscencia molecular. Fluorescencia y fosforescencia.Quimioluminiscencia. Instrumentacin. Aplicaciones.
Tema 5.-Principios de espectroscopa atmica. Espectros atmicos de emisin yabsorcin. Trminos espectrales. Anchuras de lnea. Atomizacin por llama yelectrotrmica. Eleccin de las condiciones ptimas. Atomizacin con fuentes de plasma.Atomizacin con arco y chispa. Instrumentacin. Aplicaciones.
Tema 6.-Clasificacin de las Tcnicas Electroanalticas. Leyes Generales. FenmenoElectrdico. Lmite de Electroactividad. Montaje Potenciosttico. Electrodos selectivos deiones.
Tema 7.-Etapas de la Reaccin Electroqumica: control difusional; capa de d ifusin;hiptesis de Nernst; flujo difusional y convectivo; leyes de Fick. Curvas i-E. Potenciales deequilibrio, mixto y lmite.
Tema 8.-Valoraciones amperomtricas y potenciomtricas. Sistemas autoindicadores.Sistemas electroqumicos indicadores de reacciones en equilibrio.
Tema 1.
1. Fundamentos de la espectroscopa.
2. La radiacin electromagntica.
3. Propiedades ondulatorias de la radiacin.
4. Aspectos mecanocunticos de la radiacin.
5. Espectroscopa atmica y molecular.
Introduccin
La Qumica Analtica es la ciencia que ident if ica los componentes de unamuestra (anlisis cualitiativo) y que determina las cantidades relativas de cadauno de ellos (anlisis cuantitativo). Generalmente se precisa una separacinprevia del analito de inters.
Mtodos Clsicos: Qumica por va hmeda (volumetras, gravimetras yanlisis cualitativo sistemtico)
Mtodos Instrumentales: explotan las propiedades fsicas del analitopara obtener informacin cualitativa y cuantitativa
Espectroscopa: estudia la interaccin del campo elctrico de la radiacinelectromagntica con la materia mediante fenmenos de absorcin,emisin y dispersin de luz
Algunas modalidades espectromtricas Regiones del espectro electromagntico
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Regiones del espectro electromagntico Interaccin de la energa radiante con la materia
Interaccin de la energa radiante con la materia Interaccin de la energa radiante con la materia
La luz: radiacin electromagntica
La luz tiene una naturaleza dual:
Corpuscular (fotones)
Ondulatoria (ondas)
Ver Skoog, pag. 135-7
La luz: niveles discretos de energa
El principio de quantizacin de la energa implica que slo son
posibles ciertos valores discretos de energa.
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La luz y su interaccin con la materia: niveles discretos de energa Onda electromagntica
1s][hertz][s
ciclos][
Frecuencia: nmero de ciclos por unidad de tiempo. Depende de la fuenteemisora y permanece invariante, independientemente del medio que atraviese.
Periodo: tiempo empleado en un ciclo completo. T = 1/ [=] s
Longitud de onda, i: distancia entre dos mximos o mnimos sucesivos.
Nmero de onda: nmero de ondas por cm.
Kv
1;cm][
1
i
1
i
Velocidad de propagacin: vi = i v y son funcin del medioque atraviesan
En el vaco, la velocidad de la radiacin se hace independientede la longitud deonda y alcanza su valor mximo. c = = 3,00108 ms-1
Onda electromagntica
Potencia, P, es la energa expresada en watios que alcanza un readeterminada por unidad de tiempo
Intensidad, I, es la potencia de la radiacin por unidad de ngulo slido
chch
hE h, constante de Planck = 6,6310-34 J s
La P de un haz es directamente proporcional al nmero de fotones por segundo.
Figuras de interferencias
La amplitud de la onda resultante depende del desfase entre las ondasindividuales
Interferencias constructivas y destructivas
A desfase cero, =0, se obtiene lainterferencia constructiva mxima
Para = 180, se obtiene lamxima interferencia destructiva
Superposicin de ondas
Animations courtesy of Dr. Dan Russell, Kettering University
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Transmisin de la luz a travs de un medio: frenado de onda
El frenado es funcin de la naturaleza y concentracin de la materiaatravesada.
ii v
cnndice de
refraccin
Curva de dispersin refractiva
Lentes, n cte.
Prismasni = f (i)
vi = f (i)
Dispersin de la luz (scattering)
Radiacindispersada entodas lasdirecciones
Centro dispersante(p.e.: molcula, partculainsoluble o coloidal)
Hazincidente
Rayleigh
Dispersin de la luz (scattering)
La mayora de los fotones
dispersados tienen la misma
frecuencia que la fuente (dispersin
Rayleigh); sin embargo, la
frecuencia de algunos fotones
(aprox. 1 en 107) ha variado
(dispersin Raman).
Polarizacin
Se dice que la radiacin electromagntica est despolarizada cuando losvectores magntico y elctrico alcanzan la misma magnitud en todas lasdirecciones.
La luz se dice linealmente polarizada cuando osc ila en un nico plano almoverse por el espacio.
Luz polarizada en el plano y luz polarizada circular
E = Eocost E = Eoe-t = Eocost + Eo sin t
Luz polarizada en el plano Luz polarizada circular
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Refraccin de la luz: ley de Snell
2211 sennsenn
Cambio abrupto de la direccin de una radiacin al pasar de unmedio a otro con distinta densidad, como consecuencia del cambio
de velocidad de la radiacin en los dos medios.
2
1
2
1
2
1
1
2
1
2
2
1
v
v
vcvc
n
n
sen
sen
Si el medio 1 es el vaco, n1 = 1
nvaco = 1,00027 naire
Reflexin de la luz
Principio de Fermat: laluz sigue el camino mscorto (menos tiempo).
La longitud L de A a B es:
Puesto que la velocidad es cte (mismo medio) la ruta de tiempo mnimo es lade distancia mnima que se puede calcular igualando a cero la derivada.
Reflexin de la luz
Sila rugosidadde la superficie lmite es menor que la longitudde onda, entonces se produce una reflexin propiamente dicha,parala cualse cumple laley de lareflexin (ngulo de incidencia =ngulo de reflexin). Por lo general se refleja nicamente una parte
delrayo incidente, pues la otra penetraen el medio y es refractada.
Si la rugosidad de la superficie lmite es comparable a lalongitud de onda del rayo incidente se obtiene una difusin(reflexin difusa)
Si el rayo sobrepasa un ngulo lmitedeterminado, se produce la denominadareflexin total.
Reflexin de la luz
Para un rayo que incida
perpendicularmente a la superficie, la
reflectancia viene dada por:
i
r2
12
212
I
Igeneral,eny,
)n(n
)n(n
Pasar del aire (n=1) a vidrio (n=1,5) supone una reflectanciade = 0,04 = 4%
Si hay muchas superficies en el camino ptico, se producenmuchas prdidas: stray light
Ii
Ir
Ver Skoog, pg 133Ejemplo 6.2
Difraccin de radiacin monocromtica por rendijas
Difraccin: todo haz paralelo de radiacin electromagntica se curva alpasar por un objeto puntiagudo o por una rendija estrecha.
La difraccin es consecuencia de la interferencia y fue demostrada en 1800por Young
Difraccin de radiacin monocromtica por rendijas
OE
DEBC
OD
DEBCm
senODDE
ciainterferendeorden:m
senBCm
senBCCF
CBF
DOEBCF
Ver Skoog, pg 129-130Ejemplo 6.1
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Radiacin coherente
Radiacin emitida por una fuente cuando todas las ondas elementales emitidas poseenuna diferencia de fase constante en el tiempo y en el espacio (IUPAC, 1997)
La luz producida por un lser es:
Monocromtica (longitud de onda nica)
Coherente (en fase)
Direccional (cono de divergenciaestrechsimo)
La lmpara incandescente produce una luz:
Cromtica
Incoherente
No direccional
Fuente de luz monocromtica:
Coherente
No direccional
Diagrama simplificado de niveles energticos
+ E rot
EE = E electr+ E vibr
tomos absorbentes: espectro atmico
Los dos picos de absorcin surgende la promocin del electrn 3salos dos estados 3p
Absorcin y resolucin espectral
Espectros de absorcin Desactivacin radiacional y no-radiacional
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Diagrama de bloques para absorcin Diagrama de bloques para fluorescencia y fosforescencia
Fuentes de radiacin en EAM
Caractersticas relevantes:
1. Distribucin espectral: intensidad a distintas (fuentes de
continuo vs. fuentes de lneas)
2. Intensidad
3. Estabilidad
1. Ruido (fluctuaciones a corto plazo)
2. Deriva (fluctuaciones a largo plazo)
4. Coste
5. Tiempo de vida
6. Geometra
Fuentes de radiacin en EAM
Espectro continuo
Espectro de lneas discretas
I: Fuentes de continuo
Comportamiento delCuerpo Negro:Como W~ T4, cuando se usa
una fuente incandescente se
precisa una temperatura
constante para que la
emisin sea estable.
A) Radiacin trmica (incandescencia)Los slidos calentados emiten radiacin prxima a la radiacin terica delcuerpo negro.
)(VW
(Stefan)T)W(B
(Wien)T
1
4
4
mx
VISelen
I: Fuentes de continuo
VIS
1. Filamento de wolframio encapsulado en un bulbo de vidrio
Normalmente funciona a unos 3.000CSe necesita atmsfera inerte para prevenir la oxidacin del filamentoEs til entre 350-2.200 nm (VIS- IR cercano)Por debajo de 350 nm el vidrio absorbe la mayor parte de la radiacin
2. Lmparas halgenas en bulbo de cuarzo
El halgeno sirve para formar haluros voltiles de volframioAl enfriar la lmpara, el W se re-deposita sobre el filamentoMayor tiempo de vida.Pueden funcionar a T ms altas (hasta unos 3.500C)Proporcionan mayor intensidad lumnicaElevadas T demandan cuarzo en las paredes de la lmpara.El cuarzo transmite mejor en el UV.
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I: Fuentes de continuo
B) Lmparas de descarga de gasesFlujo de corriente entre dos electrodos sumergidos en un tubo relleno degas.Los electrones colisionan con el gasexcitacinemisin
hDDDED elctrica '''*22
Intervalo de: 160 380 nm
Muy adecuadas para el UV
Lmpara de Deuterio
I: Fuentes de continuo
B) Lmparas de descarga de gasesFlujo de corriente entre dos electrodos sumergidos en un tubo relleno degas.Los electrones colisionan con el gasexcitacinemisin
Intervalo de : 180 370 nm
Muy adecuadas para el UV
Lmpara de H2: 3-5 veces menos intensa que la de Deuterio.
D2 ms pesado que H2 menores prdidas por colisiones
I: Fuentes de continuo
B) Lmparas de descarga de gasesFlujo de corriente entre dos electrodos sumergidos en un tubo relleno degas.Los electrones colisionan con el gasexcitacinemisin
Para una ms elevada intensidad:
Lmpara de Xenon a 10-20 atm
Ms colisiones: continuo
Inconvenientes:
Vida relativamente corta
Necesita cebado
Arco errante
Potencia dependiente del tiempo
I: Fuentes de continuo
B) Lmparas de descarga de gasesFlujo de corriente entre dos electrodos sumergidos en un tubo relleno degas.Los electrones colisionan con el gasexcitacinemisin
Lmpara de vapor de mercurio
til para cuando se necesitan
unas pocas lneas muy intensas
(Fluorimetra)
Fuentes en EAM
Para EAM UV-VIS: H2 o D2 en el UVy W para el VIS(cambio durante el barrido)
Para Espectrofluorimetra con barrido:
lmpara de arco de Xe
Con fluormetros de longitud de onda fija:
lmpara de Hg a baja Presin
Fuentes en EAM
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Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
Laser He-Ne Ratio emisin estimulada/absorcin
1
2
)(absorbida12
a)(estimulad21
N
N
R
R
Conclusin:
para lograr emisinestimulada se precisa unainversin de la poblacin:
N2 > N1
Mecanismo Laser
Energy pumpingmechanism
Energyinput
Lasing medium
Highreflectance
mirror
Partiallytransmitting
mirror
Outputcoupler
Feedback mechanism
Laser en accin
Lasing mediumat ground state
Populationinversion
Start of stimulatedemission
Stimulated emissionbuilding up
Laser infull operation
Pump energy
Pump energy
Pump energy
Pump energy
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Laser: tipos
1) Estado slido
a) Laser de Ruby [Al2O3+Cr(III)]. Opera a 694,3 nm bombeado porlmpara de arco de Xe. Pulsante (puede ser CW tambin)
b) Laser de Nd/YAG (granate de Y-Al con Nd): 1.064 nm
2) Gaseosos
a) tomo neutro: He-Ne: 632,8 nm
b) Iones:Ar+ o Kr+: 514,5 nm
c) Moleculares: CO2 : 10.000 nm (1.000cm-1); N2: 337,1 nm
d) Excmeros: gas inerte + F: ArF+ (193 nm); KrF+ (248 nm);XeF+ (351 nm)
3) Colorante (dye laser). Amplia gama de colorantes que puedenproporcionar una variedad de .
4) Diodo semiconductor. Amplia gama de . Continuo.
Laser: caractersticas
La luz producida por un lser es:
Monocromtica (longitud de onda nica)Coherente (en fase)
Direccional (cono de divergencia estrechsimo)
Intensa
La lmpara incandescente produce una luz:
Cromtica
Incoherente
No direccional
Fuente de luz monocromtica:
Coherente
No direccional
Sistema de aislamiento de
Tres enfoques o planteamientos:
1) Bloqueo de la radiacin no deseada: FILTRO
2) Dispersin de la radiacin y seleccin de la banda estrecha de de inters:MONOCROMADOR
3) Modulacin de las a diferentes frecuencias: INTERFERMETRO
Sistema de aislamiento de
1. Filtros
Absorcin (vidrio, pelcula o disolucin coloreada: solucin ms barata)
Corte
Interferencia
2. Monocromadores
Prisma
Red
Filtros de absorcin (filtros de paso de banda)
Muestran muy baja transmitancia
Presentan un perfil de pico muy ancho
Pueden usarse 2 ms filtros en serie
Pueden ser de cuarzo o vidrio
Relativamente baratos
Caracterizacin de los filtros
Dos trminos asociados con los filtros pticos son: 1. Anchura de bandaefectiva medida a lamitad de altura de pico.
2. nominal (450 y 500nm, en estos casos)
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Filtros de corte (Cut-off filters)
%T
/ nm
La combinacin de 2 filtros de corte produce el
efecto de un filtro de paso de banda
Combinacin de filtros de absorcin y de corte
Filtro de interferencia
Haz incidente
Capas metlicassemi-reflectantes Radiacin
transmitida
Lminas devidrio
Material dielctrico (CaF, MgF)
Filtro de interferencia
Recorrido entre superficies:cos
t
Reforzamiento:cos
t2m '
1cos0
t2'm
En el aire: = n
Longitud de onda transmitida:
m
nt2
t
Filtro de interferencia
Tpicamente, el %T
disminuye con
anchuras de banda
decrecientes.
Filtro de interferencia vs. filtro de absorcin
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Cua de interferencia (wedge)
Glass
Moveable Slit
Dielectric Layer
Metallic Layer
White Radiation
Monochromatic
Radiation
Son tiles para seleccionar varias bandas de radiacin gracias almovimiento de la radiacin incidente a lo largo del filtro.
Las anchuras de banda tpicas son 20 nm
Monocromador: Prisma
Se pueden usar desde el UV hasta el IR
El material a emplear depende de la zona del espectro
Vidrio: en elVIS por encima de 350 nm
Cuarzo: en el UV
Sales cristalinas (NaCl, KBr): en el IR
Monocromador: Red
En la red de escalerilla (rejilla) se hacen una serie de hendidurasparalelas (surcos) en una superficie lisa con espaciado diferente enfuncin de la zona del espectro.
UV_VIS: 500 a 5.000 lneas por mm
IR: 50 a 200 lneas por mm
Red de escalerilla: interferencia constructiva
)ABCD(m
isendCD
rsendAB
r)seni(sendm
Red de escalerilla: interferencia constructiva
Una red que contiene 1.450 surcos/mm es irradiada con luz policromtica conun ngulo incidente de 48. Qu longitudes de onda aparecern a un ngulode reflexin de +20 y de -10?
r)seni(sendm
nm689,7mm
nm10
1.450
mmd
6
Para r = 20:
= (689,7/m) (sen 48 + sen 20) = 748,4/m nm
(748,4; 374,2; 249,5 nm, etc.)
Para r = -10:
= (689,7/m) [sen 48 + sen (-10)] = 397,9/m nm
(397,9; 199,0; 132,6 nm, etc.)
Monocromador de red
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Monocromador de red. Montajes Czerny-Turner y Ebert Monocromador: Dispersin
Dispersin lineal: variacin de la en funcin de la distancia a lo largodel plano focal.
D = dy/d = F dr/d = F A
F: distancia focal de la lente de enfoque
Dispersin recproca lineal: D-1 = d/dy = 1/F d/dr [=] nm/mm
Dispersin angular: cambio en el ngulo de reflexin a medida quevara la
A = dr/d1 2
y
r)seni(sendm
cosrd
m
d
dr
Fm
cosrd
dy
dD 1
A menor d lecorresponde unamayor dispersinangular
Para r < 20 cos r 1
Fm
dD 1 Si r es pequeo, Dpara
una red- es constante
Para un prisma: D NO es constante.
d
dn
dn
dr
d
drFD
Variable (ver curvas dedispersin)
Monocromador: Poder de Resolucin, R
2121 ;
2;
R
Red: 103 - 104
Prisma: 101 - 102
Rred = mN
Rprisma = b dn/d b
N de rayasOrden deinterferencia
Ej.: Si R = 103 y = 500,
entonces = 0,5 nm
Ej.: Calcular la resolucin necesaria paraobservar procesos de absorcin a 599,9y 600,1 nm sin interferencia.
R = 600 / 0,2 = 3.000
Monocromador: Velocidad, f/nmero
d
Ff
F: distancia focal
d: dimetro de la lentef/nmero: 1 -10
El poder colector de luz es ~ f -2
Cuanto menor es el nmero ms luz se recoge.
Un monocromador con f/2 recoge 4 veces ms de luz que uno con f/4
El poder colector de luz es una medida de la cantidad de luz quealcanza el detector.
Cuanta ms energa radiante llegue al detector, mayor relacin
seal/ruido se obtendr en la medida resultante.
Comparacin de prestaciones de los sistemas aisladores de Red de escalera
Fm
dD
sendm
ir
cos2
2
1
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Monocromador de red de escalera
Monocromador doblemente dispersante
Dispersin ms elevada
Mejor resolucin
que un monocromador convencional
Los dos elementos dispersantes son una redde escalera y un prisma de baja dispersin.
Monocromador de red de escalera
Anchura de rendija y resolucin
w
ef
ef
wySi
yD 1
1ef Dw
Anchura de rendija y resolucin
Si la w se ajusta demodo que ef= se consigue resolucinespectral completa.
mm
nm1,2
yR
w?
mm0,25
mmnm
1,2
nm0,3
Dw
nm0,3589)(589,621
1ef
ef
Anchura de rendija y resolucin
Rendijas estrechasgarantizan mejorresolucin
P
P
Anchura de rendija y resolucin
Rendija estrecha
Mejor resolucin: aptas para anlisis cualitativo
Prdida de potencia del haz: no recomendables para anlisis cuantitativo
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Material ptico
Lentes, prismas y celdillas han de ser transparentes a la
radiacin utilizada
En elVIS se puede emplear el vidrio de 350 nm en
adelante
En el UV, el cuarzo es el ms adecuado
En el IR: NaCl, KBr
Cuanto ms pesado sea el tomo ms transparente a radiaciones
alejadas en el IR (mayores ).
Su mayor problema es la posibilidad de absorber la humedad ambiente
que hace que se velen.
Celdas para la muestra
Transductores de radiacin (Detectores)
Los primeros detectores fueron el ojo humano y las placas fotogrficas.
Los instrumentos modernos contienen dispositivos que convierten la radiacinen una seal elctrica.
Dos tipos habituales:
Detectores de fotones
Los detectores fotoelctricos o cunticos poseen una superficie activa capazde absorber radiacin EM
En algunos, la radiacin absorbida produce la emisin de electronesdando lugar a una fotocorriente
En otros, la absorcin de radiacin promueve electrones a la banda devalencia de un semiconductor posibilitando la conduccin(fotoconduccin)
Uso comn en instrumentos UV, VIS, IR cercano
Detectores trmicos
Miden el calor inducido por la radiacin incidente
Uso frecuente en espectroscopa IR
Caractersticas del detector ideal
Elevada sensibilidad
Alta relacin seal/ruido (S/N ratio)
Respuesta independiente de la (o al menos dar unarespuesta constante a lo largo de un intervalo amplio de )
Tiempo de respuesta corto
Ausencia de corriente oscura
Seal directamente proporcional a la potencia
radiante incidente
Clula fotovoltaica
h: rotura de enlaces covalentes; creacin de electrones y huecos conductores
Muy sencillo
S = k P
Poco sensible
Fatiga
Fototubo de vaco
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Tubo fotomultiplicador (PMT) Tubo fotomultiplicador (PMT)
Muy sensibles a radiacin Vis-UV
Factor limitante: corriente oscura refrigeracin
Se usan para medir radiacin de baja potencia
Detector de diodo de silicio
Se origina una corrienteproporcional a la potencia radiante
Sensibilidad intermedia entre el fototubode vaco y el tubo fotomultiplicador
Detector de diodo de silicio (unin p-n)
I0
I1
h
+ -
Depletion layer
190 1100 nm
R(
a.u.)
Detector de diodo de silicio Serie de fotodiodos (Photodiode array)
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Serie de fotodiodos (Photodiode array)
Multi-channel
Amplifier
Diode Array
Los detectores de fotodiodos han revolucionado el
diseo de instrumentos VIS-UV al hacer posible la
miniaturizacin de los espectrmetros
Dispositivo de carga acoplada ( Charge Coupled Device, CCD)
CCD Charge-Coupled Device, "dispositivo de cargas (elctricas) interconectadas
Los primeros dispositivos CCD fueron inventados por Willard Boyle y GeorgeSmith en 1969 en los Laboratorios Bell.
Dispositivo de carga acoplada (Charge Coupled Device, CCD) Dispositivo de carga acoplada (Charge Coupled Device, CCD)
Determining the brilliance distribution of an astronomical object (star, planet,galaxie,...) with the help of a CCD is pretty much similar to the measurments ofthe quant ity of infal ling ra in on a farm. As soon as the ra in stops, col lectingbuckets are displaced horizontally on conveyor belts. Then the water content ofthe buckets is collected in other buckets on a vertical conveyor belt. The overallcontent is sent onto a weighting system.
Dispositivo de carga acoplada (Charge Coupled Device, CCD)
The way a CCD works i s il lus trated by means of a s impli fi ed CCD made of 9 p ixel s, anoutput register and an amplifier. Each pixel is divided in 3 regions (electrodes who serve tocreate a potential well). (a) when an exposure is made, the central electrode of each pixel ismaintained at a higher potential (yellow) than the others ( green) and the charges collectingprocess takes place. (b) At the end of the exposure, the electrodes potentials are changedand chargestransferred from one electrode to theother.
To Output amplification
Outputregister
Pixel
Electrodes Electrons
(a) (b)
Dispositivo de carga acoplada ( Charge Coupled Device, CCD)
(a) By changing in a synchronized way the potential of the electrodes, electrons aretransfered from pixel to pixel. Charges on the right areguided to the output register
(b) The horizontal transfer of charges is then stopped and charge packages at the outputregister are transfered vertically, one by one, to an output amplifier and then read oneby one. The cyclestarts again until all the charges have been read (reading timeof about1 minute for a large CCD).
(b)(a)
Impurity (doping)
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Dispositivo de carga acoplada (Charge Coupled Device, CCD)
Mosac of 4 CCDs, containingeach 2040 x 2048 pixels. Thiscomposite detector is about 6 cmlarge and contains a total of 16millions pixels (Kitt PeakNational Observatory, Arizona).
Dispositivo de carga acoplada (Charge Coupled Device, CCD)
Quantum efficiency curves of different types of CCDs as a function of the wavelenghtcompared to the one of other detectors. We can see on this plot the large domain ofwavelenghts for the spectral response of CCDs.
La medida instrumental cuantitativa
Todas las medidas instrumentales involucran una seal
Desafortunadamente, todas las seales incorporan ruido
En ocasiones el ruido es grande
A veces el ruido es tan pequeo que no se percibe.
A menudo el ruido es constante e independiente de la seal
Cociente Seal/Ruido (Signal to Noise ratio; S/N): Su estimacin
Da una idea de la calidad de las medidas instrumentales
RelativaEstndarDesviacin:DER
DER
1
s
x
estndardesviacin
seallademedia
N
S
x = 0.9
Nt = 1.0 x 10-15A
s = Nt/5 = 1.0 x 10-15/5 = 0.2 x 10-15
x = 0.9 x 10-15
S/N=x/s = 0.9 x 10-15/0.2 x 10-15 = 45
Cociente Seal/Ruido (Signal to Noise ratio; S/N)
Un cocienteS/N bajoproporciona muypoca fiabilidadpara la medidade sealesanalticas.
El Lmite deDeteccin sueletomarse para S/N~ 2 3
Fuentes de ruido
Ruido Qumico: temperatura, presin, humedad, etc.
Las variaciones provocan fluctuaciones incontrolables
Ruido Instrumental: debido a los componentes de losaparatos
- Trmico (Johnson noise): movimiento trmico de loselectrones en los resistores
- Disparo (Shot noise): movimiento de los electronesa travs de una unin.
- Parpadeo (Flicker noise): cualquier ruido que esinversamente proporcional a la seal: 1/f
-Ambiental (Environmental noise): mezcla demltiples fuentes de ruido.
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Ruido trmico (ruido blanco)
Vrms: raz cuadrtica media o valor eficazdel ruido de latensin que est dentro de una
k: constante de Boltzmann (1,3810-23 JK-1)
T: temperatura absoluta en K
R: resistencia en
f: anchura de banda de la frecuencia del ruido en Hz
rt3
1f
Tiempo de ascenso, tr, es el tiempo de respuesta expresado en sde un instrumento a un cambio brusco de la seal de entrada.
Se toma como el t necesario para que la seal de salida pase del10% al 90% de su valor final
Ej.: tr = 0,01 s ancho de banda = 33 Hz
Ruido de disparo (shot noise)
irms: raz cuadrtica media o valor eficaz de lasfluctuaciones de corriente relacionadas con
i: La corriente continua promedio
e: carga del electrn (1,6010-19 C)
f: ancho de banda de las frecuencias consideradas
Tambin tiene carcter de ruido blanco
Ruido ambiental Mejora del cociente S/N
Hardware & software
Hardware:
1. Toma de tierra y proteccin (caja de Faraday)
2. Filtracin analgica y RC
3. Modulacin: conversin de la seal DC a AC de alta
frecuencia y posterior demodulacin4. Chopping de la seal: disco rotatorio, ayuda a discriminar
seales continuas de las transientes
5. Amplificadores operacionales
Filtro de paso bajo
Raw Data Filtered Data
Low PassFilter
Deja pasar las seales de frecuencia baja, eliminando el ruido asociado afrecuencias altas (ruido trmico y de disparo)
til para instrumentos que miden seales analticas de baja frecuencia
Filtro de paso alto
Raw Data
Time
i
Time
0
Filtered Data
High PassFilter
Elimina el ruido de frecuencia baja (parpadeo y deriva) permitiendo elpaso de las frecuencias altas.
til para instrumentos que miden seales analticas de alta frecuencia
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Filtro de paso de banda
Band Pass1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.01 0.1 101.0 100 1000 10,000
Frequency, Hz
RelativeSignal
Band PassFilter
High PassLow Pass1.0
0.8
0.6
0.4
0.2
0.01 0.1 101.0 100 1000 10,000
Frequency, Hz
RelativeSignal
Combinacin adecuada de filtros de paso bajo y alto para dejar pasarsolamente la(s) frecuencia(s) de inters.
Modulacin -desmodulacin
La seal se modula hacindola pasar por un chopper (disco rotatorio) de
modo que pasa de poseer baja frecuencia a ser una seal de alta frecuencia (el
ruido 1/f es menos problemtico a frecuencias elevadas)
A continuacin la seal se amplifica y se pasa a travs
de un filtro de paso alto para eliminar el ruido 1/f
La seal se demodula y se pasa por un filtro de paso
bajo para dar lugar a una seal de corriente continua (dc)
amplificada
Mejora del cociente S/N
Hardware & softwareSoftware:
1. Promediado conjunto
2. Promediado por grupos
3. Filtrado digital
1. Promediado conjunto
Si laseal enxt iene un valorde Sx,
Al sumar n series de datos, la suma valdr: n Sx.
La seal del ruido, Nx, contenido en Sx, tambin se sumar pero como las sealesde ruido son aleatorias se acumulan como la
Por tanto la suma del ruido de x despus de sumar n series de datos es: Nx
n
n
En este algoritmo, sucesivas series dedatos (matr ices) se recogen y sumanpunto por punto como en una matr izde la memoria de un ordenador(COADICIN). Despus de lacoadici n, los datos se promediandividiendo la suma para cada puntopor el nmero de barridos realizados.
x
x
x
x
N
Sn
N
S
n
n
N
S
Promediado conjunto (ensemble averaging)
Registro de sucesivos espectros,suma punto a punto y promediado
n
S
S
n
i
i
x
1
n
iix
x
n
iix
xx
SS
Sn
n
SS
S
N
S
1
2
1
2
Donde:Sx= seal promedio (punto)
Si= medida individual de la seal
n= nmero de medidas
Entonces:
n
SS
N
n
i
ix
1
2
)noiserms(
Promediado conjunto (ensemble averaging)
56.1214.316N
Sn
N
S
1
1x
1
1x
N
Sn
N
S
A Single Spectrum
0.0
0.5
1.0
1.5
0 100 200 300 400 500 600
Time (s)
Signal
S N S/N
0.91 0.289 3.14
Average of Sixteen Spectra
0.0
0.5
1.0
1.5
0 100 200 300 400 500 600
Time (s)
Signal
S N S/N
0.90 0.070 12.81
Promediado por grupos (boxcar averaging)
Suaviza las irregularidades de altafrecuencia en una onda de ms bajafrecuencia
Se hace en tiempo real a medidaque el ordenador registra la seal
Se emplea para seales complejasque varan rpidamente con el tiempo
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Sensibilidad
a) Calibrado
S = mc + Sbl
S = seal o respuesta del instrumento
Sbl = seal del blanco
c = concentracin de la muestra
m = sensibilidad del calibrado (pendientede la curva de calibrado; no tiene en cuenta laprecisin de las medidas individuales)
0
20
40
60
80
100
0 0 .2 0.4 0.6 0 .8 1
Concentration (c )
Signal(S)
m2
m1
Sbl
Sm1
C
Sm2
b) Analtica
Ss
m
: sensibilidad analtica
sS: desviacin estndar de lamedida de la seal
+ No depende de los factores deamplificacin
+ Independiente de las unidades demedida de S
- Depende de la concentracin [ss = f(C)]
Lmite de deteccin (LOD) y de cuantificacin (LOQ)
LOD: mnima concentracin o masa de analito que puede ser detectada por unmtodo instrumental a un nivel dado de confianza (95%)
LOQ: mnima concentracin que puede ser fiablemente cuantificada
LOD
Seal analtica mnima detectable:
Sm = Savg, bl + ksbl
Sm: Seal mnima detectable
Savg, bl: Seal promedio del blanco
k: nmero entero (3)
sbl: desviacin estndar del blancoConcentracin mnima detectable:
m
SSc blavg,mm
m
skc blm
Lmite de deteccin (LOD) y de cuantificacin (LOQ) Intervalo dinmico de linealidad y lmite de linealidad (LOL)
Concentration
InstrumentResponse
Dynamic Range
cm
LOL
LOQ
El intervalo dinmico se extiende desde el LOQ hasta el LOL
m
s10c blq
LOQ
Seal mnima cuantificable:
Sq = Savg, bl + 10sbl
Concentracin mnima cuantificable:
Tema 3
1. Espectroscopa UV-visible.
2. Sistemas que absorben en el UV-visible.
3. Ley de Beer.
4. Instrumentacin.
5. Mtodos y aplicaciones.
Espectroscopa VIS - UV
160 780
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Ley de Beer: presupuestos bsicos
1. La radiacin es monocromtica
2. Las partculas absorben de modo independiente
3. Seccin recta y uniforme de absorcin
4. Los procesos de absorcin y desorcin de energa han de ser
rpidos
5. La degeneracin de la energa absorbida ha de hacerse por va no
radiacional
6. El ndice de refraccin del medio absorbente debe ser independiente
de la concentracin
Ley de Beer: deduccin
d b
b
S
P0
P
b = 10 mm
Ley de Beer: deduccin
d b
b
SP0
P
b [=] cm
c [=] mol/L
a = , absortividad molar; [=] L mol-1cm-1
dP N (n de partculas absorbentes) P (n de fotones)
dV = S db; dV [=] cm2 cm [=] cm3
CdbS106,02310(L)dVmol
tomos6,02310
L
molCN
K'
20323
PCdbKPCdbK'ctePNctedPK
bCKP
dP;PCdbKdP
bCKP
Pln;dbCK
P
dPb
0 0
P
P0
Cb2,303
K
P
Plog
0
AbsTlogP
Plog
0
Abs = a b C
Ley de Beer
Ley de Beer: terminologa comn
Ley de Beer: Absorbancia, Transmitancia y Absorcin
T = P/Po
%T = (P/Po) x 100
A = -log T= abc
%Absorcin = 100 - %T
Ley de Beer: Prdidas de potencia radiante
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Ley de Beer: Correccin de prdidas
P1P P P1
Muestra
Blanco
P1
P0
P
P
1
01
0
1medida P
PloglogTAbs;
P'
P'
P
PT
Experimentalmente se miden slo potencias salientes
;P'
P'T 1real
Ley de Beer
En un medio absorbente, la potencia decae exponencialmente con lalongitud de paso ptico
P P1b1
celda
b
Potencia
P
b1
P1
cb0 10PP
Ley de Beer
En un medio absorbente, la potencia decae exponencialmente con lalongitud de paso ptico
P P1b1
celda
b
Potencia
P
b1
P1
cb0 10PP
P P2b2
b2
P2
Ley de Beer
En un medio absorbente, la potencia decae exponencialmente con laconcentracin.
C
Potencia
P
P P1C1
P P2C2
C1
P1
C2
P2
cb0 10PP
Ley de Beer: Ejemplos
Beer-Lambert plot for Parsol 340 in ethanol
y = 13245x + 0.0351
R2= 0.9995
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
0.00E+00 2.00E-05 4.00E-05 6.00E-05 8.00E-05 1.00E-04 1.20E-04
[P340]/M
absorbance
T vs [P340] y = 0.9224e-30498x
R2= 0.9995
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.00E+00 2.00E-05 4.00E-05 6.00E-05 8.00E-05 1.00E-04 1.20E-04
[P340]/M
T
Parsol 340 (10-4M in MEOH)
0
0.2
0.4
0.6
0.8
1
1.2
1.4
1.6
1.8
2
220 270 320 370 420
Wavelength/nm
Absorbance
Ley de Beer: ejemplos
Concentracin
Absorbancia CbAbs Se pueden encontrar valores elevados de
hasta 105 L mol-1 cm-1 para la constante deproporcionalidad.
Mexoryl SX
HO3S
O
O
SO3H
O
SO3H
U VA U VA
HO3S
O
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
200 250 300 350 400
Wavelength/nm
Absorbance
max~45.000
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Ley de Beer: aditividad
nnnTotal
nTotal
cbcbcbcbA
AAAAA
......
......
333222111
321
Elucida cin de muestras b inarias oternarias de componentes absorbentes
[N]b[M]b'A':''
[N]b[M]bA':'
''N
''M
'N
'M
Las absorbanciasson siempreaditivas
][Y][BiY][CuY][Bi][CuAbs 4745Y
745BiY
2745CuY
3745Bi
2745Cu
7454232
Ley de Beer: desviaciones
Propias a la Ley Dependencia de respecto de n
Interacciones moleculares
Procesos no absorbentes
Qumicas Equilibrios en disolucin
Disolvente
Impureza de reactivos
Presencia de interferencias absorbentes
Instrumentales Radiacin policrmatica
Radiacin parsita o dispersa
Ruido instrumental
Anchura de rendija
Ley de Beer: desviaciones
Propias a la Ley A no tiene limitacin con respecto a b
Se pueden emplear celdillas pequeas para analitosconcentrados y celdilla ms largas para muestras msdiluidas.
Si A = 0,410 en una celdilla de 1,0 cm, entonces:
Si b = 2,0 cm, A = 0,820
Si b = 0,1 cm, A = 0,041
Concentraciones > 0,01 M alteracin del proceso de absorcin individual
Ley de Beer es una ley lmite
Un aumento de la concentracin del buffer o del disolvente tiene un efectosimilar
Si la modificacin de C implica cambio de n, entonces vara
(n) = [n/(n2 + 2)2]
Ley de Beer: desviaciones
Propias a la Ley A no tiene limitacin con respecto a b
Se pueden emplear celdillas pequeas para analitosconcentrados y celdilla ms largas para muestras msdiluidas.
Si A = 0,410 en una celdilla de 1,0 cm, entonces:
Si b = 2,0 cm, A = 0,820
Si b = 0,1 cm, A = 0,041
Concentraciones > 0,01 M alteracin del proceso de absorcin individual
Ley de Beer es una ley lmite
Un aumento de la concentracin del buffer o del disolvente tiene un efectosimilar
Si la modificacin de C implica cambio de n, entonces vara
(n) = [n/(n2 + 2)2]
Ley de Beer: desviaciones
Qumicas
Reacciones del compuesto absorbenteprovocan el incumplimiento de la ley de Beer.
2color1color
InHHIn
Ley de Beer: desviaciones
Ejemplo: si Ka = 10-4
CHIn [HIn] [In-]
10-5 8.5x10-7 9.2x10-6
10-4 3.8x10-5 6.2x10-5
10-3 7.3x10-4 2.7x10-4
CHIn
Expected
Actual
2color1color
InHHIn
Estudiar el ej. 13.1 de las pginas 326-7 del Skoog
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Ley de Beer: desviaciones. Punto isosbstico
Se observa un punto isosbstico cuando dos especies absorbentes en
equilibrio, X e Y, tienen la misma absortividad molar a una longitud de onda. Si
X e Y estn en equilibrio, para la longitud de onda del punto isosbstico, laabsorbancia total es independiente de las concentraciones relativas de X e Y.
Rojo fenol
-0.1
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
400 450 500 550 600 650
Wavelangth (nm)
Absorbance El punto isosbstico puede
llegar a ser una longitud deonda analticamente tilya que, a esta longitud deonda, se obtiene una curvade calibracin lineal sincontrolar las condiciones dela disolucin (disolucin notamponada).
A = b ([HIn] + [In-])
Ley de Beer: desviaciones.
Instrumentales
La absorbancia medida Am es:
Slo cuando las absortividades molaresson iguales a las dos longitudes deonda, y , la expresin anterior sesimplifica a:
Efecto de la radiacin policromtica
En la prctica, el monocromador deja pasar una banda de radiacin.
Ley de Beer: desviaciones.
Instrumentales
Efecto de la radiacin policromtica
La ley de Beer se cumple cuando la anchura de paso de banda delmonocromador es
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Error fotomtrico
Tomadas en conjunto estas
fuentes de ruido se concluye que
la mejor zona para trabajar es
la que corresponde a
transmitancias intermedias.
Especies absorbentes
* y n *alta energa, bajas
- * < 185 nm (UV de vaco)
- n * = 150 250 nm
- Difciles de medir
n * y * 200 700 nm
- Son las transiciones msimportantes y tiles enespectroscopaVis-UV
- Absortividades molares ():n * 101 102 L cm-1 mol-1
* 103 104 L cm-1 mol-1
Especies absorbentes
Formaldehdo
Especies absorbentes
Chromophore Example Excitation max
, nm Solvent
C=C Ethene * 171 15,000 hexane
CC 1-Hexyne * 180 10,000 hexane
C=O Ethanaln * *
290180
1510,000
hexanehexane
N=O Nitromethane n * *
275200
175,000
ethanolethanol
C-X X=BrX=I
Methylbromide
Methyl Iodide
n *n *
205255
200360
hexanehexane
Cromforos comunes Cromforos comunes
En la Tabla anterior se puede observar:
1. Las bandas de absorc in intensas ( 104) representan transiciones demayor probabilidad (bandas *), mientras que las de baja intensidadcorresponden a transiciones n * (menos probables).
2. Cada grupo funcional posee bandas de absorcin caractersticas, como loson tambin las intensidades de las bandas (medida por el valor de). Laabsorcin de radiacin Vis-UV es debida a los Cromforos ms que a lamolcula en su conjunto (IDENTIFICACIN DE GRUPOSFUNCIONALES en base a suy).
3. La conjugacin de cromforos aumenta la intensidad y origina cambiosdrsticos en lamax de absorcin del cromforo.
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Cromforos comunes
La mayora de los espectros de compuestosorgnicos son complejos
Transiciones electrnicas, vibracionales y/o
rotacionales superpuestas
Bandas de absorcin generalmente anchas
El anlisis detallado e inequvoco no es
posible, si bien se puede hacer una estimacin
del tipo de enlaces involucrados
Los efectos del disolvente y de los
substituyentes complican la situacin (y
tambin pueden aportar informacin)
Cromforos comunes
Cromforos y auxocromos
Cromforos: Grupos funcionales que absorbenradiacin visible o delUV prximo ( >200 nm)cuandose hallan enlazados a unacadenaorgnica saturada no absorbente.
Auxocromos: Grupos funcionales que poseen electrones de valencia no-enlazantes, n,que no absorben a > 220nm, pero muestran absorcin intensa de radiacin en el UVlejano(180-200 nm), debido a transiciones n *. Ej. -OH; -NH2; -Cl, etc.
Si un grupo auxocromo se asocia a l a cadena de un cromforo se exalta el color delmismo, lo que en trminos espectroscpicos significa que la banda de absorcin delcromforo se desplaza a mas largas (Efecto Batocrmico o Desviacin hacia el
Rojo) a la vez que aumenta suintensidad (Efecto Hipercrmico).Efecto Hipocrmico: Cuando disminuye la intensidad de unabanda.Si se desplaza la del mximo de absorcin de un cromforo a ms cortas (ej. al
cambiar a un disolvente ms polar) se ha producido un Efecto Hipsocrmico oDesviacin hacia el Azul.
La conjugacin de varios cromforos en una molcula produce un desplazamientoBatocrmico o Desviacinhacia el rojo dela del mximode absorcin. Ej.
Nomenclatura
Conjugacin de cromforos
La multiplicidad degrupos cromforos tieneescasa influencia en ,pero incrementanotablemente
La conjugacin producedeslocalizacin de electrones ,estabilizando *, por lo que laseal se desplaza a mayores (menor energa)
La relevancia de la conjugacin de cromforos
Naturaeza del
desplazamiento
Trmno
descriptvo
A mayores Batocrmico
A menores Hipsocrmico
A mayor absorbancia Hipercrmico
A menor absorbancia Hipocrmico
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Algunos grupos cromforos y auxocromos Substituyentes en los compuestos aromticos
Los compuestos aromticos poseen tresconjuntos de bandas debido a transiciones *.
Benceno:
184 nm ( ~ 60.000)Banda E2 a 204 nm ( = 7.900)Banda B a 256 nm ( = 200)
Efecto del disolvente
1,2,4,5-tetracina
Cada banda tiene una estructura finaasociada a transiciones vibracionalesque se reduce e incluso desaparece-en disolventes polares.
Un incremento de la polaridad deldisolvente:
n*: desplazamiento hipsocrmico
n*: desplazamiento hipsocrmico
*: desplazamiento batocrmico
Disolventes ms frecuentes. Influencia de la polaridad
Disolventes no polares respetan mejorla estructura fina del espectro
CH3CHO
Pigmentos orgnicos naturales
-CAROTENO-CAROTENO
LYCOPENOLYCOPENO
Lantnidos y actnidos
Los meta les de las series 4f y 5f absorbenmerced a transiciones que involucran a loselectrones f
Apenas se nota efecto alguno por parte deldisolvente y de posibles ligandos, puesto quese trata de electrones de capas internas queestn protegidas.
Los espectros de absorcin muestran sealesagudas y bien definidas.
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Color de los iones sencillos Color de los metales de transicin
La mayora de los ca tiones de los metales de transicin presentan color en disolucin.
La absorcin de radiacin en el visible se debe a transiciones que involucran electrones den orbitales dincompletos.
Las capas dson ms externas y estn ms expuestas que las f. Sus espectros son msanchos y la mx se ve influenciada por el disolvente y/o los ligandos.
Efecto del campo ligando Absorcin por transferencia de carga
Involucra la presencia de un aceptor (inmetlico) y de un donor (ligando) de e-.
La absorc in de la rad iacin hace que setransfiera un e- desde el orbital del donor alorbital del aceptor.
Se origina un estado exci tado en e l que ha
tenido lugar una reaccin redox.
Absortividades molares elevadas ( > 10.000)
Ej.: Fe(SCN)2+ + h Fe2+ + SCN0
Instrumentacin
Cuatro tipos bsicos de diseos instrumentales
Haz simple
Doble haz resuelto en el espacio
Doble haz resuelto en el tiempo
Multicanal
Haz simple
Puede ser de unicanal o de barrido
Instrumentacin
Doble haz resuelto en el espacio
Las seales de la celdilla de muestra y de la celdilla de referencia se midensimultneamente y se sustraen.
Se precisan 2 detectores coste elevado
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Instrumentacin
Doble haz resuelto en el tiempo
Es el diseo comercial ms frecuente
Ventajas del doble haz frente al monohaz:
Corrige las variaciones en la intensidad de la fuente
Compensa la deriva del detector y del amplificador (resuelto en el tiempo)
Compensa la variacin de potencia del haz con la longitud de onda
Instrumentacin
Puede hacer un registro (barrido) completo del espectro en 0,1 s
Promedia la seal durante 1 s ms, para mejorar la S/N
Pocos componentes pticos: mnima prdida de potencia del haz
Lmpara de D2 y resolucin (ancho de banda) de 2 nm
Multicanal
Instrumentacin: fuentes ms utilizadas en el VIS-UV Instrumentacin: fuentes ms utilizadas en el VIS-UV
Lmpara de Deuterio y su espectro
Un filamento calentadorecubierto de xido proporcionaelectrones
Lmpara defilamento deWolframio y suespectro
Instrumentacin: celdillas ms comunes en el VIS-UV
Volumen (L): 160, 100 or 50b = 10 mm
Instrumentacin: detectores
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Determinacin de constantes de equilibrio
HInHInd
f
K
K
][In
[HIn]logpHpK;
[HIn]
][In][HK dd
Se miden las absorbancias de una disolucin de concentracin analtica (CT)conocida a tres pH diferentes.
1. pH cido (HIn)
A1 = HIn CTHIn
2. pH bsico (In-)
A2 = In- CTIn-
3. pH intermedio (HIn + In-)
CT = [HIn] + [In-] [HIn]
A3 = HIn [HIn] + In- [ In-] [In-]
Midiendo el pH de la disolucin ysustituyendo se obtiene Kd
Determinacin del grado de disociacin
cc)c(1
HInHIndK
1
c
)c(1
cK
222
d
A3 = HIn[c(1-)] + In- (c) = HInc HInc + In-c
A3 = A1 + (In- c HIn c) = A1 + (A2 A1)
12
13
AA
AA
Aplicaciones: anlisis cualitativo
Anlisis de grupos funcionales (complemento de IR y RMN)
Control de calidad: Ciertos productos tienen que ser transparentes al VIS-UV
Ej.: El alcohol etlico de 96 puede contener benceno y debe purificarse
hasta no absorber.
Elucidacin de ismeros. Ej.: bifenilos cis-trans
Ej.: Tautomera ceto-enlica del acetilacetato de etilo
275 nm
= 20 Lmol-1cm-1C
O
CH2
C
O
OC2H5CH3
C
OH
CH3 CHC
O
OC2H5245 nm Esta forma posee dobles enlaces conjugados
= 18000 Lmol-1cm-1
Aplicaciones: anlisis cuantitativo mediante valoraciones fotomtricas
A (analito) + T (valorante) P (producto)
][Y][BiY][CuY][Bi][CuAbs 4745Y
745BiY
2745CuY
3745Bi
2745Cu
7454232
Aplicaciones: anlisis cuantitativo
A. DIRECTO: Componente absorbente en el VIS-UV: Compuestos orgnicos
B. INDIRECTO: Mucho ms comn en Inorgnica
B.1) M + R P coloreado (complejacin y redox principalmente)
M + n L MLn.
Eleccin de L condicionada por: Selectividad, Sensibilidad y Solubilidad
B.2) M + Sistema coloreado Decoloracin ~ C
Aplicaciones: determinacin de macrociclos
A class of biological molecules containing a ring of seven, fifteen, or any arbitrarily
large number of atoms
Important class is porphyrins which include the heme group and Chlorophyll a
heme has a -* transiton in the blue region at 400 nm. Chlorophyll a -*
transiton in the 650 nm region to give it its green color
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36
Substance pH
Phenylalanine 6 257 200
Tyrosine 6 275 1.300
Tryptophan 6 280 5.000
Adenosine-5 -phosphate 7 259 15.000
Cytidine-5-phosphate 7 271 9.000
Uridine-5-phosphate 7 262 10.000
Guanosine-5-phosphate 7 252 14.000
(nm)max mol)(L/cm
Aplicaciones: determinacin de aminocidos y nucletidos Aplicaciones: estudios conformacionales
DNA melting: Hypochromism:
Decrease in upon formation of double helix (H-bond)
Muy til para caracterizar la conformacin de cidos nucleicos y protenas
Binding of a lanthanidecomplex to anoligonucleotide
Changes from
form I to form II
Recta de calibrado con patrones o estndares
http://www.unav.es/quimicayedafologia/quimanal/monografias/estadistica/
Recta de calibrado por adiciones estndar
Se emplea en los casos en que los analitos se encuentran en matrices complejas en lasque es fcil que surjaninterferencias.
1. Preparar varias alcuotas idnticas, de un volumen Vx, de la muestra desconocida
2. Aadir a cada muestra alcuota un volumen creciente, Vs, de una disolucinestndar de concentracin conocida, Cs, del analito a medir.
3. Enrasar todas las disoluciones a un volumen idntico, Vt.
4. Hacer la medida instrumental de cada disolucin.
5. Trazar la recta de calibrado
6. Calcular la concentracin del analito, Cx, en la muestra.
Vs
InstrumentResponse(S
) m = y/x
b = y-intercept
(Vs) 0
bmVS s
Recta de calibrado por adiciones estndar
t
xx
t
ss
V
CkV
V
CkVS
Donde:
S seal analtica
k constante de proporcionalidad
Vs volumen de estndar aadido
Cs concentracin del estndar
Vx volumen de la muestra alcuota
Cx concentracin del analito en la muestra
Vt volumen total de las disoluciones diludas
La expresin que nos da la seal analtica para cada adicin estndar es:
Recta de calibrado por adiciones estndar
Combinado las dos expresiones:
t
xx
t
ss
V
CkV
V
CkVS bmVS s
x
sx mV
bCC
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Procesos y escala de tiempos
Excitacin vibracional: Principio clsico de Franck-Condon
La transicintiene lugar con elncleoestacionario.
Las transicionesms probablestienen lugarcuando la lneavertical toca lacurva superior.
Diagrama de energa de Franck-Condon
De acuerdo con este principio, la absorcin de un fotn es un proceso
instantneo. James Frank se dio cuenta de lo obvio: los ncleos son
enormemente pesados en comparacin con los electrones. Durante la absorcin
de la radi acin, los que se pueden mover son los el ectrones, pero no los
ncleos. El ncleo atmico, mucho ms pesado, no tiene tiempo de reajustarse
durante la absorcin misma, pero s lo puede hacer despus, y esto es lo que
produce las vibraciones.
Franck-Condon principle Bandas de absorcin y emisin electrnicas
495 nm 520 nm
Stokes Shift is 25 nmFluorescein
molecule
FluorescneceIntensity
Wavelength
Es la diferencia de energa entre el pico de absorcin de menor energa
y el de emisin fluorescente ms energtico.
Desplazamiento de Stokes Espectros de absorcin y de emisin de la Quinina
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41
Para una substancia pura presente en disolucin en una nica forma,
su espectro es invariable e independiente de la fuente de excitacin
El espectro de f luorescencia se encuentra a longitudes de onda
superiores al de absorcin
El espectro de fluorescencia viene a ser la imagen especular de la
banda de absorcin de menor energa
(especialmentesi lamolculaes rgida y no sufreequilibriosde disociacinen el estado excitado)
Reglas generales del espectro de fluorescencia
* rara vez conduce afluorescencia pues Eexc estan elevada que favorece Kd yKpd
*: ms probable y tilpara fluorescencia. El cruceintersistema S*1 T*1 no esmuy probable debido a unadiferencia notable deenerga.
n* tambin puedenoriginar procesosfluorescentes.
Transiciones fluorescentes
Tiempo que transcurre entre la absorcin y la emisin
fotones emitidosfotones absorbidos=
krkr + knr
=
1kr + knr
=
dpdiceciscf
f
kkkkkk
k
Rendimiento cuntico
Tiempo de vida de la fluorescencia ()
Rendimiento cuntico
Proceso de absorcin eficiente (elevada absortividad)
Fluorescencia
Diferencias elevadas de energa entre el singlete y triplete excitados
Diferencias energticas relativamente altas entre el singletefundamental y el excitado como para prevenir desactivaciones por vano radiacional
Fosforescencia
Pequeas diferencias energticas entre singlete y triplete excitados
Baja probabilidad de transicin no radiacional entre el tripleteexcitado y el singlete fundamental
Factores que afectan a la fotoluminiscencia
Las molculas conalto grado dearomaticidad tiendena presentarfluorescencia
La rigidez estructuralpreviene la prdidade energa pordesactivacionesrotacionales yvibracionales
Fluorescencia y aromaticidad
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Fluorescena
No fluorescen
Cruce intersistema muy favorecido
Fluorescen
Estructuras fluorescentes
Fluoreno Bifenilo
La rigidez molecular tiende a inhibir la conversin interna y por tantofavorece la fluorescencia
Fluorescena Fenolftalena
Efecto de la rigidez estructural
Reacciones que incrementan (o disminuyen apagan-) la fluorescencia
pueden tener utilidad analtica como, por ejemplo, las reacciones de
complejacin de metales con ligandos orgnicos.
N
O
Zn
2
Efecto de la rigidez estructural
Com pue sto Frmula F (nm) IFrelativa
Benceno C6H5 270-310 10Tolueno C6H5CH3 270-320 17Propilbenceno C6H5C3H7 270-320 17Fluorobenceno C6H5F 270-320 10Clorobenceno C6H5Cl 275-345 7Bromobenceno C6H5Br 290-380 5Yodobenceno C6H5I --- 0Fenol C6H5OH 285-365 18Fenolato C6H5O
- 310-400 10Anisol C6H5OCH3 285-345 20Anilina C6H5NH2 310-405 20Anilinio C6H5NH3
+ --- 0
cido benzoico C6H5COOH 310-390 3Benzonitrilo C6H5CN 280-360 20Nitrobenceno C6H5NO2 --- 0
Substituyentes deslocalizadores de e- : incrementan F
Substituyentes de primer orden (dirigen a o-p-) donan e- al anillo: F crece (-OH, -OCH3, -CH3)
Substituyentes de segundo orden (dirigen a m-) retiran e- del anillo: F disminuye (-NO2, -COOH)
Probabilidad de pre-disociacin
Fluorescencia: heterotomos y substituyentes
Efecto del tomo pesado
Efecto del tomo pesado
Disminucin de la Fluorescencia por favorecimiento delcruce intersistema o conversiones externas
Los tomos pesados favorecen un fuerte acoplamiento spin/orbital ypor tanto un cambio de spin.
Especiesparamagnticas
El O2 disuelto es un fuerte inhibidor de lafluorescencia por favorecer el cruce intersistema (aligual que cualquier substancia paramagntica)
Amortiguacin (quenching) de la fluorescencia
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M* M + h Fluorescencia
M* + Q M + Q + Calor Quenching
La concentracin del quencher est relacionada con la intensidadfluorescente por medio de la ecuacin de Stern-Volmer
1F
F0
[NaI]
1F
F0
Amortiguacin de la Fluorescencia del triptfano 0,1 mM enpresencia de concentraciones crecientes de NaI
Ecuacin de Stern-Volmer Amortiguacin (quenching) de la fluorescencia
Un incremento de la T provoca una disminucin de IF
Un disolvente menos viscoso disminuye la IF
En ambos casos se acenta la posibilidad de una conversin externa
CBr4, C2H5I : disolventes que desactivan la fluorescenciayfavorecen la fosforescencia
Efecto de la T y del disolvente
Geometra de equilibrio del estadoexcitado
A F
Estado fundamental Franck-Condon
Geometra de equilibrio delestado fundamental
Estado excitadoFranck-Condon
E
E
Es = f (polaridad de los estados fundamental y excitado)
n*: estado fundamental ms polar.polaridaddisolvente: F
*: estado excitado ms polar: polaridaddisolvente: F
Efecto del disolvente
NHH
NHH
NHH H
-
+
-
+:
N+ H
HH
In anilinio: una sola forma resonante
No se observa fluorescencia en el VIS
Anilina: tres formas resonantes
* ms bajo, menor E, mayor : seve fluorescencia en el VIS
Necesidad de tamponar disoluciones patrn y muestra
Efecto del pH
El pH afecta tanto a la max como al F OH O + H+pK = 10
max: 285-365 nm 350-400 nmF : 0,18 0,09
SO3-
NH
Colorante ANS (8-anilin-naftalen sulfonato)
F ~ 0 en disolucin acuosa
F = 0,98 cuando est enlazado a regiones hidrofbicas
de proteinas y membranas
F = 16 ns, max = 454 nm
N+
H2N NH2
CH2CH3
Br-
Bromuro de etidio
F ~ 0 En disolucin acuosa
Unido a cidos nucleicos
F ~ 1, F = 26,5 ns
Efecto de la adsorcin (inmovilizacin)
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P)(PK'F 0 bc
0
10
P
P:Beer
3!
c)b(2,303
2!
c)b(2,303cb2,303PK'Maclaurin)10(1PK'F
32
0bc
0
cb2,303PK'F 0
cKF
Si P0= cte:
Si 2,303 b c < 0,05
)10(1PK'F bc0 *
Si b c > 1,5
00
bc PKPK'F110
Existe un valor lmitesuperior para la F
Efecto de la concentracin
Auto-amortiguacin (self-quenching)
Colisiones entre las molculas excitadas.
Desactivacin no-radiacional aumentada
Auto-absorcin
(inner cell effect, inner filter effect)
Solapamiento de las bandas de absorcin yde emisin: radiacin fluorescente que noabandona la celda.
Trabajar con muestras diluidas (absorcin mx: 0,1)
Autoabsorcin
Luciferin + O2
LuciferaseO C
O O
C R2
R1
SpontaneousCO2 + O C
*
R2
R1
Light
Fluorescencia retardada
Fluorescencia
Rpida (10-8s)
Fosforescencia
Lenta (mss). Los procesoscolisionales competitivos
pueden eliminarlacompletamente a no serque se eviten totalmente(p.e. en un vidrio)
Extincin de la luminiscencia
Se puede definir el tiempo de vida de lafluorescencia, f , como el tiempo que ha detrancurrir, desde que se apaga la fuente deexcitacin, para que la F se reduzca a 1/e(0,368) de la F original
f
tk
0feFF
f
fff
kk
00
0f
k
1keln
ee;eFe
F/e;F: ffff
La F sigue una cintica de primer orden (en ausencia de otros procesos)
Extincin de la fluorescencia
Las medidas fluorimtricas estn limitadas por los blancos
Disolventes e impurezas presentan corrientes de fondo 2 ns
La seal del analito es discernible midiendo a tiempos ms largos.
Time-resolved fluorimetry
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Tiempo de vida elevado >500 s
Gran desplazamiento Stokes
Perfiles de picos de emisin finos La F est basada en procesos de transferencia de energa del ligando al catin central.
Propiedades de los compuestos lantnidos de coordinacin Propiedades de los compuestos lantnidos de coordinacin
naftilamina
Seguimiento de una reaccin enzimtica
Green Fluorescent Protein (GFP)procedente de las medusas es la msutilizada para seguir la expresin de genes.
Marcadores fluorescentes
N
O
N
tryptophane = 280 nm
eGFP = 488nm
O
N
NO
O O
TDI = 630 nm
N
C NH2
CNH2
NH
NH
DAPI = 355 nm
O
O
O
N+
N
NH
S TMR = 514 nm
NN
NH2
O
SO3-
-O3S
Cy5 = 630 nm
+
Fluorforos tpicos
Compuesto (nm)
Hidrocarburos aromticos
Naftaleno 300-365
Pireno 370-460
Antraceno 370-400
1,2-benzopireno 400-450
Compuestos Heterocclicos
Quinolina 385-400
Sulfato de quinina 410-500
7-hidroxicumarina 450
3-hidroxi-indol 380-460
Tintes
Fluorescena 510-590
Rodamina B 550-700
Azul de metileno 650-700
Coenzimas,cidos nuclicos, pirimidinas
Adenina 380
Adenosina trifosfato (ATP) 390
Dinuclet id o d e l a n ic ot in am id a a de ni na (N AD H) 4 60
Compuesto (nm)
Esteroides
Aldosterona 400-450
Colesterol 600
Cortisona 570
Testosterona 580
Vitaminas
Riboflavina (B2) 565
Cianocobalamina (B12) 305
Tocoferol (E) 340
Frmacos
Aspirina 335
Codena 350
Estrgenos 546
LSD 365
Fenobarbital 440
Compuestos naturales fluorescentes
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Molculas cercanas pueden transferirse energa entre ellas.Esto sucede cuando el espectro de emisin de una solapa con el deabsorcin de la otra.
Fluorescence Resonant Energy Transfer (FRET)
FRET es una interacc in dependiente de la dis tanc ia entre los estados
excitados de dos molculas. La transferencia resonante de energa tiene lugar
cuando las molculas donora y aceptora estn a menos de 100 una de la
otra.
FRET vara con la potencia 1/6 de la separacin intermolecular, por lo que
funciona muy bien a distancias similares a las dimensiones de macromolculas
biolgicas.
FRET puede utilizarse para desplazar espectralmente la emisin fluorescente
de una combinacin molecualr.
E l espectro de absorcin del aceptor debe so laparse con el espectro de
emisin del donor.
La transferencia de energa es por va no radiacional, es decir, el donor no
emite un fotn quees captado por el aceptor.
Fluorescence Resonant Energy Transfer (FRET)
Fluorescence Resonant Energy Transfer (FRET)
Wavelength
Absorbance
DONOR
Absorbance
Fluorescence Fluorescence
ACCEPTOR
Molecule 1 Molecule 2
La transferencia de energa de resonancia puede tener lugar cuando loscompuestos donor y aceptor estn prximos (< 100 )
La FRET puede ser til para lograr un espectro de fluorescenciadesplazado a superiores.
D* + A D + A*Donor Aceptor
Fluorescence Resonant Energy Transfer (FRET)
Punto crtico: encontrar la pareja donor-aceptor adecuada
h FRET h
R = 1 -10 nm
~ 1/R6 kT1
D
R0
r
6
La velocidad de transferencia est predicha por la teora de Frster
R0 9.78103
2QDJ()
n4
1
6
Fluorescence Resonant Energy Transfer (FRET) Fluorescence Resonant Energy Transfer (FRET)
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El grupo dansilo es muy apropiado para FRET con protenas que contienen triptfano.
Puede unirse covalentemente a la proteina.
Fluorescence Resonant Energy Transfer (FRET)
triptfano -max F = 350 nm dansilo -max Abs = 340 nmmax F = 510 nm
Ensayo de ruptura peptdica
+
proteasa
La ruptura del pptido supone la prdidade FRET, desapareciendo la F del aceptor
Fluorescence Resonant Energy Transfer (FRET)
Fluorescence Resonant Energy Transfer (FRET) Fluorescence Resonant Energy Transfer (FRET)
Bioluminiscence Resonance Energy Transfer (BRET)
Sodio dodecil sulfato, SDS
Luminiscencia en medios micelares
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Luminiscencia en medios micelares Luminiscencia en medios micelares
Concentracin micelar crtica (CMC) Concentracin micelar crtica (CMC)
Solubilizacin micelar Solubilizacin micelar
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Fosforescencia Fosforescencia y cruce intersistema
Espectros de absorcin y emisin Fosforescencia a temperatura ambiente (RTP)
A + B C* C + h
Deteccin de sangre con luminol
C
NH
NH
C
NH2 O
O
O2/OH-
NH2
COO-
COO-
+ h + N2 + H2O
Barras luminosas con ester fenil oxalato
Quimioluminiscencia Qumica forense
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Instrumentacin: fluormetro de filtros simple
Buena estabilidad
Haz espacialmente difuso
Baja intensidad
Buena estabilidad
Continuo desde 300 1.300 nm
Alta intensidad
Instrumentacin: fuentes
Instrumentacin: espectrofluormetro
Emission
Instrumentacin: espectrofluormetro
Instrumentacin: celdillas Instrumentacin: medida de la fosforescencia
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Money (helps?) world go round! Tema 5
1. Principios de espectroscopa atmica
2. Espectros atmicos de emisin y absorcin
3. Trminos espectrales
4. Anchuras de lnea
5. Atomizacin por llama y electrotrmica
6. Eleccin de las condiciones ptimas
7. Atomizacin con fuentes de plasma
8. Atomizacin con arco y chispa
9. Instrumentacin
10. Aplicaciones
Emisin Atmica (EA, AE)
Kirchoff y Bunsen pioneros, s XIX
1957: Ramrez Muoz y Burriel Mart,Flame Photometry. A Manual of
Methods and Applicationsprimer libro sobre fotometra de llama
Absorcin Atmica (AA)
60: Walsh (Australia) publica los primeros trabajos en absorcin atmicaapoyado por Alkemade y Milatz en Holanda
Fluorescencia Atmica (FA, AF)
1964: West y Winefordner comienzan a trabajar en FA con Zn, Hg y Cd
Espectrometra Atmica
E0
E1
E2
UV-VIS
E
E0
E1
E2
v0
v1
v2
r0r1r2
UV-VIS
IR
E
Diagramas de energa atmico y molecular
Atomic EmissionSpectroscopy (AES)
Atomic AbsorptionSpectroscopy (AAS)
Atomic FluorescenceSpectroscopy (AFS)
Tipos de espectroscopias atmicas
Na Mg+
Modelos similares entre tomos,pero diferente espaciado
El espectro inico es diferente alatmico
Las separaciones se miden eneV
1eV =1.602x10-19 J= 96. 484 kJ mol-1
A medida que crece el nmerode electrones, el nmero deniveles se incrementa y losespectros de emisin se hacenms complejos
Li 30 lneas, Cs 645 lneas, Cr 2277lneas
Niveles de energa de Na atmico y del in Mg(II)
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Niveles de energa de Mg atmico Espectro de emisin del Na atmico
Espectros de lneas: transiciones electrnicas puras
Anchura de pico:
Anchura expresada en unidades de frecuencia cuando la magnitud de la seales la mitad de la mxima
Valores tpicos: centsimas de
Espectros atmicos
Ejemplos:carbono
oxgeno
nitrgeno
Las posiciones de las lneas estn bien definidas y son caractersticas para cada elemento
En espectroscopa atmica es factible hacer anlisis cualitativo
Espectros atmicos o de lneas
Espectro de emisin de salmuera
1. Incertidumbre (ensanchamiento natural de lnea)
;1
t ;1 t ;hht
t
hEhEt
;
2. Efecto Doppler (agitacin trmica de los tomos que varan su posicin respecto delobservador)
;n
c 2/1
20
1
1
V
u
V
u
0 : frecuencia de la radiacin observadacuando la fuente se mueve respecto al
detector
V=c/n : velocidad de la radiacin en un mediodado
u : velocidad del movimiento de la fuentelumnica (tomo) hacia el detector
Relativamente pequeo (~10-4) t2
1 N2
ht;
2
hEt h
Ensanchamiento de las lneas atmicas
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Resonancia Lnea directanormal
Por etapasnormal
Resonanciaactivadatrmicamente
Lnea directaactivadatrmicamente
Anti-Stokes activadatrmicamente
a a a
aaa
f f f
fff
t t
t
Mecanismos de fluorescencia atmica
Desactivacin no-radiacional
Radiaciones fluorescentes resonante y normal del Tl
Fuente deexcitacin
Sistemaatomizador
Sistema deseleccinespectral
Sistema dedeteccinelectrnica
Componentes instrumentales bsicos
Para que se cumpla la ley de Beer, laanchura de la lnea de l a fuente hadeser menor que la anchura de la lneade absorcin por parte del vaporatmico
Absorcin atmica de una lnea de resonancia
Absorcin atmica de una lnea de resonancia Atomizadores utilizados en espectroscopa atmica
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Introduccin de la muestra
a) Tubo concntrico: gas aelevada presin que arrastra lamuestra que sale del capilar
b) Flujo cruzado: el aerosol seproduce por un flujo transversalal final del capilar
c) Frita cermica: bombeo dellquido sobre un disco de fritacermica a travs del cual fluyeel gas; produce una niebla msfina.
d) Babington: el lquido incidesobre la superficie esfricahueca que contiene un orificiopor el que fluye el gas.
Nebulizadores neumticos: convierten la muestra en una nieblade finas gotculas(spray) queson portadas porel gashaciael atomizador.
Introduccin de la muestra
Nebulizadores ultrasnicos: la disolucin es nebulizada sobre una superficiepiezoelctricaproduciendouna niebla densa y homognea.
Introduccin de la muestra
Vaporizadores electrotrmicos:
depsito de la muestra slida o lquida sobre lasuperficiede unresistor
el paso de corrientea travsdel resistor produce laevaporacinde lamuestra
u n g as (Ar) f lu ye a t ravs d el res is to r y p or ta l a mue st ra g aseosa h ac ia e l
atomizador la seal obtenidaes transiente en lugar de contnua
Introduccin de la muestra
Generacin de hidruros:
ti lparaAs, Sb, Sn, Se, Bi, Pb
Reaccin modelo:
3 BH4- + 3 H+ + 4 H3AsO3 3 H3BO3 + 4AsH3 + 3 H2O
Sample
Add
NaBH4
SbH3,AsH3
SbH3 + Q Sb + 3/2 H2
Introduccin de la muestra Introduccin de la muestra
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Directa
Vaporizacin electrotrmica
Ablacin por Arco o Chispa
Ablacin por Lser
Descarga luminiscente
Introduccin de muestras slidas
100g min-1
Descarga luminiscente como fuente de plasma inico
Introduccin de la muestra
Chopper
Instrumentacin bsica tpica en AA de llama (Flame Atomic Absorption)
Es el componente ms importante y crtico
El spray de muestra que llega a la llama sufre :
vaporizacin, atomizacin y excitacin de los tomos
El atomizador de llama consta de 2 componentes:
NEBULIZADOR Y MECHERO
Sistema atomizador: llama
Nebulizador: transforma la muestra aspirada en unaneblina de gotas finsimas (spray)
Mechero: genera la llama en cuyo seno se vaporiza,atomiza y excita la muestra.
Dos tipos fundamentales de llamas:
TURBULENTAS
LAMINARES O PREMEZCLA (Premix)
Sistema atomizador: llama
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Consumo total Premezcla
Llama turbulenta, ruidosa
Gran sensibilidad
Pobre selectividad
Llama laminar, silenciosa
Gran selectividad
Poca sensibilidad (3% aspirada)
Mecheros
Velocidad deaspiracin:
~5 mL/min
Eficienica denebulizacin:
~5%
Mecheros de premezcla
Aspiracin de la muestra Procesos durante la atomizacin en llama
Procesos durante la atomizacin en llama Composicin de las llamas
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Zona primaria: 2 C2H2 + 2 O2 4 CO + 2 H2
Zona secundaria: 4 CO + 2 H2 + O2 4 CO2 + 2 H2O
Maxtemperaturelocation about1 cm abovethe primarycombustionzone. Opticalfocus to thisregion
Estructura y temperatura de una llama Distribucin de metales en llama rica y pobre (lean) en combustible
Ag (no fcilmente oxidable)
Crecimiento contnuo con la altura de la
llama
Cr (forma xidos estables)
Seal contnuamente decreciente
Predomina la formacin del xido
Mg Compromiso entre atomizacin y formacin
de compuestos moleculares
Eleccin juiciosa de la altura de llama
adecuada en cada caso
Efecto de la altura de observacin en la llama
Perfil de la llama para la lnea del Ca en una llamaciangeno-oxgeno para diferentes caudales de muestra.
Efecto de la altura y de la velocidad de flujo
Lmpara de ctodo hueco (HCL)
nodo: W, Ni, Zr
V 300 V; I = 5 20 mA
A mayor V, se obtiene intensidades ms elevadas
Inconveniente: autoabsorcin
Lmparas mixtas: Cr, Co, Cu, Fe, Mn, NiCa, Mg, AlFe, Cu, MnCu, Zn, Pb, Sn
Seccin transversal de una HCL
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Compartimento para las lmparas
0,1 5 torr
2450 MHz
Tiempo de vida > 50 h
10 veces ms intensa que HCL
Inconveniente: inestabilidadrequiere enfriamiento
til en Fluorescencia Atmica
Disponible para:
As, Bi, Cd, Cs, Ge,Hg, K, Pb, Rb, Sb,Se, Sn, Ti, Tl, Zn
Lmpara de descarga sin electrodos (EDL)
Corriente relativamente elevada: 0,5 A
V 30 V
Ar: 1-5 torr
Filamento recubierto de xido de Ba, Ca, Sr
Intensidad:TGL EDL > HCL
EDLTGLnm 2/12/1 001,0
TGL y EDL :
se usan para As y Se
< 200 nm
Lmpara de gradiente de temperatura (TGL)
Interferencias comunes a las tres
Espectrales
Fsicas
Qumicas
Variaciones en la T
Ionizacin
Interferencias en AA y FA:Dispersin de luz incidente (scattering)
Interferencia tpica de FA:
Amortiguacin de la fluorescencia (quenching)
Interferencias en espectroscopas atmicas
Espectrales: solapamiento de lneas.
Ms crtico en EA. Casi inexistente en AA y poco comn en FA
Fsicas: variacin de viscosidad y tensin superf icial que afectan a la nebulizacin.
Afectan por igual a las tres tcnicas
Variacin de T en el atomizador: supone una modificacin del nmero detomos excitados.
Afecta especialmente a la EA
Ionizacin: disminucin de la seal analtica por produccin de iones en lugar detomos
M0 M+ + e- (especialmente en alcalinos y alcalinotrreos y en llamascalientes)
Alternativa: supresores de ionizacin
Interferencias
Interferencia espectral : proximidad de lneas < 0,1
Anlisis de Al: 3 082,15 , 3 092,7
El V tiene una lnea a 3 082,11 interfiere la cuantificacin del Al?
Ciertamente, NO
Interferencias espectrales
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Se usa como referencia una segunda lnea procedente de la fuenteque est muy prxima a la lnea de absorcin del analito. El analitono debe absorber a la longitud de onda de la lnea de referencia.
Esta modalidad de correccin no se usa con mucha frecuencia debido a ladificultad de encontrar una lnea de referencia adecuada.
Cualquier absorbancia observada para la lnea de referencia se asume quese debe a la dispersin/absorcin de especies moleculares (fondo). Restandoeste valor del obtenido en la lnea del analito, obtenemos la absorbanciacorregida debida nicamente a la especie atmica de inters.
La lnea de referencia puede ser:
Impureza de la lmpara
Lnea del gas de relleno de la lmpara
Lnea no resonante del propio elemento constitutivo de la lmpara
Interferencias espectrales: correccin con dos lneas Interferencias espectrales: correccin con fuente continua
=Boltzmann Equation:
e-E
kTN*N0
g*g0
=
Number ofatoms at each
energy Number oflevels at each
energy(degeneracy)
Temperaturein K
1.38x10-23 J/KBoltzmannconstant
(E* -E0)
La temperatura modifica el nmero de tomos en los estados fundamental y excitado
Efecto de la T en la espectrometra atmica
2.510 K:
6.000 K:
N*/N0 = 1.01x10-5
N*/N0 = 8.27x10-3
N*/N0 = 1.05x10-5 (4% ms en el estado excitado para un incremento de 10 K en la T)
La absorcin atmica se produce enla transicin desde el estadofundamental a un estado excitado
La emisin atmica t iene lugar alpasar de un estado excitado alfundamental
La emisin estar ms afectada por variaciones de la temperatura, pues elporcentaje de tomos en el estado excitado depende fuertemente de la T
Ej.: Calcular el cociente N*/No para un tomo que tiene 2 niveles de energa (ambosmonodegenerados) que se diferencian en 3,9710-19 J/tomo que est expuesto a unallama a 2.500 , 2.510 y 6.000 K.
2.500 K:
Efecto de la T en la espectrometra atmica
Interferencia de ionizacin
Este problema se puede minimizar por la adicin de supresores de ionizacin,que son sustancias ms fcilmente ionizables y que producen una elevadaconcentracin de electrones en la llama que retrotraen o impiden la ionizacindel analito.
Ej.: el K es un buen supresor para la determinacin de Sr.
Interferencia de ionizacin
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Ciertos componentes de la muestra perjudican la eficiencia de la atomizacin del analito
Ej.: PO43- y SO42- dificultan la atomizacin del Ca2+
Solucin: aadir un agente liberador o protector
AEDT: se une preferentemente al Ca2+, pero no impide laatomizacin (protector)
La3+: reacciona preferentemente con el PO43-, liberando el Ca2+(liberador)
Interferencias qumicas
1. Formacin de compuestos poco voltiles Ca (PO43-, SO42-); Mg(Al)
Alternativas:T y uso de agentes liberadores y protectores
OMMO
ClNaNaCl
2. Equilibrios de disociacin
Alcalinos: xidos poco estables predominio de lneas atmicas
Alcalinotrreos: xidos relativamente estables predominio de bandas
OxTiOx
OxAlOx
OxVVOx
Ti
Al
Llamas ricas en combustible
Interferencias qumicas
Una nebulizacin deficiente puede permitir que lleguen gotas gruesas a lallama, que producen dispersin de radiacin, que resulta en:
Disminucin de la potencia del haz radiante
Seales falsas (espreas): absorciones inespecficas
Desactivacin por va colisional con las molculas de los gases que se queman
en la llama. Ar, N2 y gases nobles no amortiguan o apaganla fluorescencia.
Alternativa: purga con Ar fondos muy bajos.
Scattering (AA y FA)
Quenching (AA y FA)
stm
watb4
hANB
2022
kT
h
0
2
0
2 eg
g
N
N
stm
watNe
g
gb
4
hAB
20kT
h
0
202
C
QT
F103N
21
0
Winefordner
F: Flujo de muestra lquida aspirada (mL/s)
: eficiencia en la vaporizacin
: eficiencia en la atomizacin
Q: flujo de desaparicin del vapor en la llama
T: temperatura absoluta
C: concentracin analtica de la disolucin
C)(wat/mIdB 2
b
V S
N2 at*/m3
d
Efecto de la concentracin (EA)
Lmpara 0 , I0
b
IAbs = K b N0 = K b C
b
V S
d
I0
IF
CNbfI4
dI 0F0F
f: fuerza del oscilador de la transicin implicada
: depende de la geometra del ato mizador (llama, filamento..)
F: rendimiento cuntico de la fluorescencia. Marcada
dependencia de los gases de la llama (pueden quenchar)
Efecto de la concentracin (AA)
Efecto de la concentracin (FA)
La corriente oscura se anula con un obturador
El 100%T se ajusta con un blanco aspirado a la llama
En AA tanto la luz procedente de la LCH como de la llama alcanzan el detector
- medida de una seal pequea en el seno de un fondo grande
- necesidad de restar el fondo (continuo) de la llama para recoger slo la
seal analtica procedente de la lmpara (P/P0)
Modulacin de la fuente
Doble haz
Instrumentacin: monohaz
P
tiempoLlama sola
Llama + fuente
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Sample
Add
NaBH4
SbH3, AsH3
SbH3 + Q Sb + 3/2 H2
Ruta alternativa
Apropiado para grupos IV, V, VI B:
Ge, Sn, Pb, As, Sb, Bi, formadores de hidruros
gaseosos y muy voltiles a T ambiente
3 BH4- + 3 H+ + 4 H3AsO3 3 H3BO3 + 4 AsH3 + 3 H2O
Estos elementos en lallama tienden a formarcompuestos, no tomos
Sus lneas deresonancia (
190 nm)caen en la fuerteabsorcin del fondo dela llama (
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Introduccin muestraSecado (~ 100 oC)Pirlisis (hasta cenizas)(500 -700 C)Paso de Ar
0
Atomizacin(2000 -2800 C)
50 A, 20 s
Operaciones en el horno de grafito
0-20 mL muestra (disolucin o lodos); mg de slido (anlisis directo de slidos) Es comn utilizar un modificador de matriz que estabilizael analito o induce la volatilidad de la matriz Las muestras estn habitualmente acidificadas (para minimizar la adsorcin sobre los recipientes;
Para muestras lquidas: 30-45 s secado suave 30-60s pretratamiento trmico(charring) 5 s (rampa vertical de temperatura) 10 s ciclo de limpieza (eliminacin de cualquier resto de la matriz)
Time (s) typical
Temperature(CO)
10 20 30 40 50 60 70 80 90 100
Dry
Thermal
pretreatment, ash
or Char
Atomize
1,000-2000 K/s
Desolvate
Remove matrix or promote reactions in ETA
Atomize analyte
110C
500-700C
2500-2700C
Etapas de calentamiento
3600 w; 10-12 V; 400-500 A
Vida limitada: 200-300 firings
Reproducibilidad exige usartandasde tubos
Automatizacin sencilla:
automuestreadores
Posibles efectos memoria
Rampas de calentamiento: hasta 1000 C/s
Sensibilidad: LOD >103AA
Atomizadores electrotrmicos: horno de grafito Automatizacin
Equipo de AA en Quimedaf
Composicin tpica del horno: Grafito
GFAAS: Graphite FurnaceAtomicAbsorption Spectroscopy
Longitud: 18 - 28 mm
Volumen de muestra: 5 - 10