Tema V

Espectrofotometria: tipus i utilitats

Continguts

· Components bàsics d’un espectrofotòmetre• Control de la longitud d’ona• Cubetes per a mostres• Detectors de radiació

· Espectrofotòmetres de doble feix

· Instruments colorimètrics simples

Objectius

• Seleccionar els equips en funció de la tècnica i paràmetre a determinar

• Descriure les parts d’un espectrofotòmetre, la finalitat de cada part, els principis físics i la terminologia utilitzada

• Descriure el funcionament i les diferències entre un espectrofotòmetre d’un feix i un altre de doble feix

• Descriure el funcionament dels colorímetres simples

Els cinc components bàsics d’un espectrofotòmetre

1. Font d’energia radiant

2. Control de la longitud d’ona

3. Cubeta per a la mostra

4. Detector

5. Sistema d’amplificació i lectura (analògic, digital o gràfic)

1. Fonts d’energia radiant (I)

• Formades per substàncies que s’exciten per escalfament elèctric fins un estat d’elevada energia, o bé per descàrregues d’alt voltatge

• Una vegada aconseguit l’augment de temperatura, tornen a estats energètics menors o als estats inicials, emeten aleshores fotons de determinada energia

1. Fonts d’energia radiant (II)

• Classes:• Fonts de radiació UV (ultraviolada)• Fonts de radiació visible• Fonts de radiació IR (infraroja)

Fonts de radiació UV

• Làmpades d’hidrogen, deuteri o xenó• Composició: 2 elèctrodes dins d’un tub de vidre

amb una finestra de quars per on surten les radiacions. Els gasos estan a baixa pressió.

• Funcionament: quan apliquem un alt voltatge → descàrrega elèctrica → excita els electrons dels àtoms del gas (salten a òrbites atòmiques de major nivell energètic) → quan tornin al seu estat fonamental aleshores emetran radiació contínua en la regió dels UV (180-350 nm)

Fonts de radiació visible

• Làmpades de tungstè (wolframi)

• Funcionament: emeten radiació blanca al escalfarse el filament de tungstè (és travessat per un corrent elèctric continu) o bé en el cas de les de wolframi es comporten com un cos negre.

Fonts de radiació IR

Tipus: • Filament de Nernst (elèctrode buit d’òxid

de circoni o d’itri amb els extrems tancats per un tub de ceràmica). S’escalfen a 1500ºC per el corrent elèctric. Emeten radiacions de 400 a 20000 nm.

• Làmpada de Glowar (elèctrode de carbur de silici). S’escalfa a 1200ºC. Emeten radiació contínua entre 1000 i 40000 nm.

2.Control de la longitud d’ona

• Utilitzem: • filtres (bandes estretes de λ) • monocromadors (molt selectius, sensibles,

discriminen fraccions de nanòmetre, redueixen la radiació policromàtica obtinguen radiacions de banda molt estreta----banda A).

Filtres(II)

• Quan més petit sigui l’ABE (ample de banda efectiu) millor serà el filtre.

• Tipus: filtres d’absorció, filtres d’interferència,..• Filtres d’absorció: absorbeixen selectivament les λ

no desitjades.• De gelatina: làmina de gelatina impregnada dels colors

adequats i col·locada entre dues làmines de vidre• De líquids: solucions que absorbeixen determinades λ• De vidre entintat: làmina de vidre acolorida d’un pigment

dissolt .

Filtres (III)

-Filtres d’interferència: basats en el fenomen de la interferència

Interferència additiva o constructiva

Interferència subtractiva o destructiva

Filtres d’interferència

Només transmeten l’espectre desitjat

Composició:

- dues làmines semitransparents de plata

- recobertes de vidre

- i separades per un dielèctric (fluorur de

magnesi, MgF2 ) d’uns 40 nm de gruix

Filtres d’interferència

La llum incident (policromàtica) és reflectida en ziga-zaga en el dielèctric i, per interferència, s’anul·len. Les ones de fons seràn eliminades per els filtres de vidre.

Només passaran les ones que siguin adequades al gruix del dielèctric.

Seràn ones monocromàtiques i d’una λ determinada

Són molt exactes i els més utilitzats

Monocromadors

Redueixen la radiació policromàtica a ABE de l’ordre de 25 a 0.1nm

Caixa hermètica:

1. Ranura d’entrada

2. Lent col·limadora

3. Dispersor

4. Ranura de sortida

Dispersor***

Tipus: 1. Prisma de dispersió

2. Xarxa o ranura de difracció

Prisma de dispersió El feix policromàtic→múltiples bandes

monocromàtiques→girem el prisma per a aconseguir que la banda que ens interessi arribi a la ranura de sortida.

- Fluorita (CaF2): λ 120 -210 nm

- Vidre: λ 320-750 nm Un muntatge especial són els monocromadors amb

prisma dispersor aluminitzat en la part posterior o amb un mirall acoplat anomenat mirall de Littrow quels utilitzen per aconseguir amb el rebot del feix diferents λ per a cada posició.

Xarxa o ranura de difracció

Superfície metàl·lica o pel·lícula transparent amb gran nombre de línies paral·leles o estries, a intervals molt pròxims (5000 a 20000) per cada centímetre.

Feix policromàtic→estries→màxims de difracció a diferents angles→seleccionar la λ

3. Cubetes / cel·les / cèl·lules per a mostres

Material de cares paral·leles no absorbent

D’un sol ús (netes, sense greix,..)

Tipus:

Cubetes per a UV: de quars (silici fos)

Cubetes per la regió visible: de vidre, quars, plàstic, metacrilat (camí òptic d’1 a 10 cm)

Cubetes per IR, segons la fase de la mostra:

F. líquida: entre làmines de NaCl o CaF2

F. sòlida: trituren la mostra i la mesclen amb oli mineral o bromur potàssic anhidre, després la comprimeixen i sobre la massa fan que incideixi la radiació.

F. gasosa: tubs cilíndrics (varis centímetres) de vidre amb unes finestres de clorur sòdic o fluorur de calci. S’omplen de gas a una pressió de 5 a 50 mmHg

4. Detectors de radiació

Per a regions del visible i de la UV:1. Cèl·lula fotoelèctrica o fotoemissiva

2. Cèl·lula fotovoltaica o de capa de bloqueig

3. Tubs fotomultiplicadors

Per a la regió dels IR:1. Cèl·lula fotoconductora

2. Termopars

Cèl·lula fotoelèctrica o fotoemissiva(I)

Ampul·la de vidre (R. Visible) o de quars (UV) amb una part plana per on entra la llum

A l’interior s’ha fet el buit i trobem dos elèctrodes (+/-) connectats a una bateria

El càtode →làmina de metall alcalí (Li+; Na+; K+ i Cs+ -CsH (hidrur de cesi) sensible ≅ ull)

En el càtode s’alliberen electrons per efecte fotoelèctric

Cèl·lula fotoelèctrica o fotoemissiva(II)

Els electrons s’atreuen per l’ànode (reixeta davant el càtode, per on passa la llum i es dirigeix al càtode), tancant-se el circuit

A vegades l’ampul·la s’omple d’un gas inert (Ne o Ar)

Ambdós elèctrodes connectats a un amperímetre

Cèl·lula fotovoltaica o de capa de bloqueig o de capa-barrera(I) Base de ferro

Capa de Seleni (semiconductor) o d’òxid de coure (CuO)

Capa de barrera (espècie de fang) que permet el pas d’ ions però impedeix la barreja de les dues dissolucions que constitueixen la capa de seleni i la capa següent

Capa fina de metall transparent (Ag, Au o Pt)

Radiació → Se → ↑e- → Ferro → ddp (per trobar càrrega elèctrica negativa sobre el ferro i positiva sobre el seleni ja que a perdut electrons)

El conjunt està connectat a un galvanòmetre (mesura el pas del corrent elèctric)

Avantatges: no cal bateria ni requereix fer el buit

Tub fotomultiplicador(I)

Combina l’efecte fotoelèctric amb múltiples passos d’amplificació electrònica

http://www.youtube.com/watch?v=k4mKDFPiBj8&feature=relatedhttp://www.youtube.com/watch?NR=1&feature=endscreen&v=BmfrgUNKkLc

Tub fotomultiplicador(II)

Un tub fotomultiplicador és un dispositiu electrònic que converteix la llum en un corrent elèctric mesurable, de manera que podem saber quina quantitat de llum arriba al dispositiu.

Les seves característiques més desitjades, són que tingui una gran amplificació i una resposta molt ràpida.

Tub fotomultiplicador(III)

Un tub fotomultiplicador típic consta d'un fotocàtode que està construït amb un material fotosensible, diferents elèctrodes (anomenats dinodes) i un elèctrode col·lector anomenat ànode. Dins d'una làmpada on s'hi fa el buit.

Funcionament del tub fotomultiplicador:

Arriba un fotó a la superfície fotosensible del fotocàtode.

Aquest xoc té una certa probabilitat de generar un electró.

Aquest electró és accelerat per una diferència de potencial aplicada als dinodes

Tub fotomultiplicador(III

L'electró accelerat topa amb el dinode.

Per l'efecte de l'emissió secundària, el xoc genera més electrons.

Els electrons tornen a ser accelerats i tornen a xocar amb el dinode, generant-ne encara més.

Es repeteix aquest procés successivament d'aquesta forma es produeix l'amplificació del corrent.

Al final del tub, els electrons arriben a l'ànode, generant un corrent elèctric mesurable.

Per a la regió dels IR:

1. Cèl·lula fotoconductora 2. Termopars

Esquema de la CIELa Comissió Internacional d'Il·luminació (normalment coneguda com a CIE a causa del seu nom francès, Commission internationale de l'éclairage) recomana la divisió de la radiació infraroja en tres bandes espectrals:[2]

IR-A: 700 nm–1400 nmIR-B: 1400 nm–3000 nmIR-C: 3000 nm–1 mmUna altra divisió en bandes espectrals força habitual en enginyeria és aquesta:[3]

infraroig proper (NIR o IR-A), 0,75–1,4 µm, definits per l'absorció en aigua i usat habitualment en la comunicació per fibra òptica, gràcies a la poca absorció en vidres de SiO2.infraroig mitjà (MIR):

infraroig d'ona curta (SWIR o IR-B), 1,4–3 µm, l'absorció en aigua augmenta considerablement a 1.450 nm

infraroig d'ona mitjana (MWIR o IR-C), 3–8 µminfraroig d'ona llarga (LWIR o IR-C), 8–15 µm

infraroig llunyà (FIR), 15–1.000 µm

CÈL·LULA FOTOCONDUCTORA o fotocel·la o cèl·lula fotodetectora o

fotoresistències

• Detecta radiació en l'IR proper• Semiconductor(de sulfur de plom o de telur de germani) amb electrons que generen un dèbil corrent elèctric mesurat per un galvanòmetre.

Termopars

•Per a mesurar radiacions en l'IR llunyà•Utilitzen energia calorífica en lloc d'energia fotoemissiva•Són dos filaments soldats a una làmina d'or protegida per una capa de quars•La radiació incident augmenta la temperatura en el punt de soldadura i genera un corrent elèctric (efecte Seebeck)

5. Sistema d’amplificació i lectura (analògic, digital o gràfic)•Quan el senyal elèctric surt del detector serà captat en un amplificador•La relació entre els dos senyals (Out/In) ha de ser suficientment alta per a poder ser mesurable en el sistema de lectura•Utilitzen galvanòmetres digitals,..•Sistema connectat a ordinador amb un soft especial i a una impressora per a obtenir la gràfica o espectre de les dissolucions

Control de linealitat

Espectrofotòmetres de doble feix

Avantatges:

No cal ajustar a cero l’absorbància del blanc

Eventuals canvis de λ es corretgeixen automàticament

Espectrofotòmetres de doble feix

Tipus: Doble feix en l’espai Doble feix en el temps

Espectrofotòmetres de doble feix en l’espai

Espectrofotòmetres de doble feix en el temps

Mirall semiplatejat: T i R

Mirall pla: només R

Interruptor ***

Instruments colorimètrics

Colorímetre de Duboscq Hemoglobinòmetre de Sahli Tubs o cilindres Hehner

Colorímetre de Duboscq

1. Cubetes mòvils (patró / mostra)

2. Comandaments: desplaçament i escala mil·limetrada (l)

3. Cilindres de vidre transparent

4. Occular (semicercles)

5. Prismes

6. Camins òptics: lp i lx

Càlculs

Hemoglobinòmetre de SahliDos tubs de

cristall calibrats, un amb la solució de referència i l’altre ,el del problema, graduat de 0 a 140. (VN 100%)

Omplim fins el senyal 10 amb HCl 1%

Afegim 20 µl sang pacient (la hemoglobina es transforma en clorhidrat d’hematina)

Afegirem petites quantitats d’H2O destil·lada fins que la coloració del tub problema sigui similar a la del tub de referència (referència sòlida, d’un cristall de color i composició inalterables)

Tubs o cilindres Hehner

El 1879 un farmacèutic alemany, H. C. Wolff, substituí el sistema mecànic de variació de la posició dels plungers per un sistema d’evacuació de líquids en emprar, com a recipients contenidors de líquids, dues buretes especials (cilindres Hehner); mitjançant l’obertura d’una clau o l’altra s’aconseguia equilibrar les columnes de líquid de la mostra problema i de la dissolució de referència que produïen una mateixa percepció òptica en l’observador

Cx = Cp · (hp/hx)

Cilindres Hehner

Dos tubs idèntics amb una clau de pas pel buidat i amb escales graduades de 0 a 100

Un pel patró de [] coneguda i l’altre amb el líquid problema

Comparem ambdós a contraclaror, anirem buidant el més concentrat , es a dir, el que té major intensitat de color, fins que presentin idèntica intensitat (observació vertical)

Anotem l’altura de cada cilindre

Apliquem la fórmula:

Font de llum