República Bolivariana de Venezuela Ministerio del Poder Popular para la Educación Superior Universidad Nororiental Gran Mariscal de Ayacucho Núcleo: Guayana Escuela de Ingeniería de Materiales Caracterización de Materiales
Espectrometría La espectroscopia surgió con el estudio de la interacción entre la radiación y la materia como función de la longitud de onda (λ). En un principio se refería al uso de la luz visible
dispersada según su longitud de onda, por ejemplo por un prisma. Más tarde el concepto se amplió enormemente para comprender cualquier medida en función de la longitud de onda o de la frecuencia. Por tanto, la espectroscopia puede referirse a interacciones con partículas de radiación o a una respuesta a un campo alternante o frecuencia variante (ν). Una extensión adicional del alcance de la definición añadió la energía (E) como variable, al establecerse la relación E=hν para los fotones. Un gráfico de la respuesta como función de la longitud de onda (o más comúnmente la frecuencia) se conoce como espectro. La espectrometría es la técnica espectroscópica para tasar la concentración o la cantidad de especies determinadas. En estos casos, el instrumento que realiza tales medidas es unespectrómetro o espectrógrafo.
La espectrometría a menudo se usa en física y química analítica para la identificación de sustancias mediante el espectro emitido o absorbido por las mismas.
La espectrometría también se usa mucho en astronomía y detección remota. La mayoría
luz. * De electrones . Interacciones con haces de electrones. La espectroscopia Auger implica inducir el efecto Auger con un haz de electrones. En este caso la medida implica la energía cinética del electrón como variable.
* De masa. Interacción de especies cargadas con campos magnéticos y/o eléctricos, dando lugar a un espectro de masas. El término “espectroscopia de masas” está anticuado, ya que la técnica es principalmente una forma de medida, aunque produzca realmente un espectro para la observación. Este espectro tiene la masa (m) como variable, pero la medida es esencialmente de la energía cinética de la partícula. * Acústica. Frecuencia de sonido.
* Dieléctrica. Frecuencia de un campo eléctrico externo.
* Mecánica. Frecuencia de un estrés mecánico externo, por ejemplo una torsión aplicada a un trozo de material.
Según el proceso de medida:
de onda, ángulos de incidencia y ángulos de polarización. El proceso de dispersión es mucho más rápido que el proceso de absorción/emisión. Una de las aplicaciones más útiles es la espectroscopia Raman.
Tipos de espectrometría
ESPECTROMETRÍA DE ABSORCIÓN
La espectrometría de absorción es una técnica en la cual la energía de un haz de luz se mide antes y después de la interacción con una muestra. Cuando se realiza con láser de diodo ajustable, se la conoce como espectroscopia de absorción con láser de diodo ajustable. También se combina a menudo con una técnica de modulación, como la espectrometría de modulación de longitud de onda, y de vez en cuando con la espectrometría de modulación de frecuencia a fin de reducir el ruido en el sistema.
ESPECTROMETRÍA DE FLUORESCENCIA
se producen pequeñas variaciones de frecuencia (energía) que son características del enlace químico. Con un aparato apropiado pueden medirse estas frecuencias de rayos X características o energías de electrones Auger. La absorción de rayos X y la espectroscopia de emisión se usan en química y ciencias de los materiales para determinar la composición elemental y el enlace químico.
ESPECTROMETRÍA DE LLAMA
Las muestras de solución líquidas son aspiradas en un quemador o una combinación de nebulizador/quemador, desolvatadas, atomizadas, y a veces excitadas a un estado electrónico de energía más alta. El uso de una llama durante el análisis requiere combustible y oxidante, típicamente en forma de gases. Los gases combustibles comunes que se usan son el acetileno (etino) o el hidrógeno. Los gases de oxidante suelen ser el oxígeno, el aire, o el óxido nitroso. Estos métodos son a menudo capaces de analizar elementos metálicos en partes por millón, billones, o posiblemente rangos más bajos de concentración. Son necesarios detectores de luz para detectar la luz con información que viene de la llama.
* Espectrometría de emisión atómica . Este método usa la excitación de la llama; los átomos son excitados por el calor de la llama para emitir luz. Este método suele usar un quemador de consumo total con una salida de incineración redonda. Se utiliza una llama
la muestra, pero la excitación de los átomos de analito se realiza mediante lámparas que brillan a través de la llama en varias longitudes de onda para cada tipo de analito. En la absorción atómica, la cantidad de luz absorbida después de pasar por la llama determina la cantidad de analito en la muestra. Suele usarse un horno de grafito para calentar, desolvatar y atomizar la muestra con el fin de obtener una mayor sensibilidad. El método del horno de grafito también puede analizar algún sólido o muestras mezcladas. A causa de su buena sensibilidad y selectividad, es un método que todavía se usa para el análisis de ciertos microelementos en muestras acuosas (y otros líquidos).
* Espectrometría de fluorescencia atómica . Este método usa un quemador con una salida de incineración redonda. La llama se usa para solvatar y atomizar la muestra, y una lámpara emite luz a una longitud de onda específica en la llama para excitar los átomos de analito. Los átomos de ciertos elementos pueden entonces fluorescer, emitiendo luz en diferentes direcciones. La intensidad de esta luz fluorescente sirve para cuantificar la cantidad del elemento analizado en la muestra. También puede usarse un horno de grafito para la espectrometría de fluorescencia atómica. Este método no es tan común como el de absorción atómica o el de emisión de plasma.
ESPECTROMETRÍA DE EMISIÓN DE PLASMA
* Espectrometría de ruptura inducida por láser (LIBS), también llamada espectrometría de plasma inducida por láser (LABIOS)
* Espectrometría de plasma inducida por microondas (MIP)
ESPECTROMETRÍA DE CHISPA O ARCO
Se usa para el análisis de elementos metálicos en muestras sólidas. Para materiales no conductores, se usa polvo de grafito para hacer conductora la muestra. En los métodos de espectroscopia de arco tradicionales se usa una muestra sólida que es destruida durante el análisis. Un arco eléctrico o chispa se pasan por la muestra, calentándola a alta temperatura para excitar los átomos. Los átomos de analito excitado emiten luz en varias longitudes de onda que pueden ser detectadas mediante métodos espectroscópicos comunes. Ya que las condiciones que producen la emisión por arco no son controladas cuantitativamente, el análisis de los elementos es cualitativo. Hoy día, las fuentes de chispa con descargas controladas bajo una atmósfera de argón permiten que este método pueda ser considerado eminentemente cuantitativo, y su uso está muy extendido en los laboratorios de control de producción de fundiciones y acerías.
bastante energéticos para excitar a los electrones externos. Si la frecuencia es lo bastante alta, se produce la fotoionización. La espectrometría UV también se usa para la cuantificación de proteínas y concentración de ADN, así como para la proporción de proteínas y ADN en una solución. En las proteínas se encuentran generalmente varios aminoácidos, como el triptófano, que absorben la luz en el rango de 280nm. El ADN absorbe la luz en el rango de 260nm. Por esta razón, la proporción de absorbancia 260/280nm es un buen indicador general de la pureza relativa de una solución en términos de estas dos macromoléculas. También pueden hacerse estimaciones razonables de la concentración de ADN o proteínas aplicando la ley de Beer.
ESPECTROMETRÍA INFRARROJA
La espectrometría infrarroja ofrece la posibilidad de medir tipos diferentes de vibraciones en los enlaces atómicos a frecuencias diferentes. En química orgánica, el análisis de los espectros de absorción infrarroja indica qué tipo de enlaces están presentes en la muestra.
ESPECTROMETRÍA RAMAN
ESPECTROMETRÍA DE FOTOEMISIÓN
La fotoemisión puede referirse a:
* Emisión de electrones a partir de la materia después de la absorción de fotones energéticos (efecto fotoeléctrico).
* Emisión de fotones a partir de los semiconductores y metales cuando los electrones que fluyen en el material pierden energía mediante deceleración o recombinación.
ESPECTROMETRÍA MÖSSBAUER
La espectrometría de transmisión o conversión electrónica (CEMS) de Mössbauer prueba las propiedades de los núcleos de isótopos específicos en ambientes atómicos diferentes, analizando la absorción resonante de rayos gamma de energía característica, lo que se conoce como efecto de Mössbauer.
aunque a veces se expresa como una unidad directamente proporcional a la energía del fotón, tales como el número de onda o los voltios de los electrones (que tiene una relación recíproca a la longitud de onda).
Un espectrómetro se usa en espectroscopia para producir líneas espectrales y medir sus longitudes de onda e intensidades. Son instrumentos que funcionan en una amplia variedad de longitudes de onda, desde rayos gamma y rayos X hasta el infrarrojo lejano. Si la región de interés está restringida a un rango cercano al espectro visible, el estudio se llama espectrofotometría.
En general, cada espectrómetro funcionará sobre una pequeña porción de este rango total debido a las diferentes técnicas usadas para medir las distintas porciones del espectro. Por debajo de las frecuencias ópticas (es decir, en el rango de las microondas y radiofrecuencias), el analizador de espectro es un dispositivo electrónico estrechamente relacionado.
Espectroscopios
Los espectroscopios se usan a menudo en astronomía y en algunas ramas de la química.
científico para analizar la composición de material desconocido, y para estudiar fenómenos y teorías astronómicas. El espectrómetro mide longitudes de onda.
Espectrógrafos
Un espectrógrafo es un instrumento que transforma una forma de onda de dominio temporal entrante en un espectro de frecuencia,
o
generalmente
en
una
secuencia de tales espectros. Hay varias clases de máquinas a las que se llama espectrógrafos, según la naturaleza precisa de las ondas. Los primeros espectrógrafos
Esquema de un espectrómetro de rejilla
usaban papel fotográfico como detector. La clasificación espectral de estrellas y el descubrimiento de la secuencia principal, la ley de Hubble y la secuencia de Hubble, se hicieron con espectrógrafos que usaban papel fotográfico. El pigmento vegetal fitocromo fue descubierto con un espectrógrafo que usaba plantas vivas como detectores. Los espectrógrafos más recientes usan detectores electrónicos, como cámaras CCDs que pueden usarse tanto para luz visible como para luz ultravioleta. La elección exacta del detector depende de las longitudes de onda de la luz que va a ser registrada.
MÉTODO
ESPESTROMETRÍA DEABSORCIÓN ATÓMICA
ESPECTROMETRÍA DEEMISIÓN ATÓMICA
ESPECTROMETRÍA DEMASAS
¿QUÉ ES? ¿QUÉ MIDE? Técnica que Cantidad de luz determina la que es absorbida concentración de un por la muestra. elemento metálico determinado en una muestra. Analiza la concentración de más de 62 metales diferentes en una solución. Técnica espectroscópica que analiza las longitudes de onda de los fotones emitidos por los átomos o moléculas durante su transición desde un estado excitado a un estado de inferior energía.
Técnica experimental que permite la medición de iones derivados de moléculas.
FUNDAMENTOS
Ley de BeerLambert.
INSTRUMENTO
Se usa un espectrómetro entre el atomizador y el detector.
PROCEDIMIENTO Para analizar los constituyentes atómicos de una muestra es necesario atomizarla. La muestra debe ser iluminada por la luz. Finalmente, la luz es transmitida y medida por un detector.
LECTURA FINAL Se compara la medida de las muestras o los patrones de calibración con la medida del blanco P/P0 RESULTADOS: *Transmitancia T= P/P0 *%Transmitancia %T= Tx100 *Absorbancia A= - log P/P0 A= -log T
Intensidad de luz que emite la muestra en función de la concentración de analito
1. Evaporación: Lamuestraconpartículas metálicasse deshidrata,y eldisolventeseevapora.
Mecánica cuántica Teoría de emisión atómica
Mide razones carga/masa de iones. Identifica los diferentes elementos químicos que forman un compuesto, o para determinar el contenido isotópico de diferentes elementos en un mismo compuesto.
Monocromador para una detección fácil.
2. Atomización: Los iones metálicos se reducen a átomos de metal. Loselectronesenlosátomosdemetalabsorbenlaenergíadelcalorde la llama y pasan a niveles más altos de energía.
Análisis elemental a concentraciones de analito desde 100% hasta ppm o ppb.
En un nivel simple: se puede observar utilizando 3. Excitación: Como los electrones absorben energía, se desplazan a un mechero Bunsen y nivelesmásaltosdelaenergíaypasana estadoexcitado. muestras de metales.
Fenómeno conocido como desbastado (sputtering, en inglés) de Espectrómetro partículas masas. centradas en un blanco.
4. Emisión de radiación: Loselectronesenestadoexcitadosonmuy inestables y se mueven hacia un estado basal con bastante rapidez. Cuando lo hacen, emiten la energía que absorbieron.
Se calienta un haz de material del compuesto a La masa monoisotópica es la suma de las masas monoisotópicas de analizar hasta vaporizarlo e ionizar los diferentes cadaelementodelanalito átomos, el haz de iones produce un patrón específico en el detector, que permite analizar el La masa media es la suma de la media química de las masas de sus de compuesto. componentes considerando su abundancia.
La precisión de masa es un porcentaje de la masa medida y se mide tanto en tanto por ciento como en partes por millón.
