Especrofotometría UV-visible (II): El espectrómetro

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La técnica de la espectrofotometría UV-vis se aplica fundamentalmente a líquidos y disoluciones, aunque también a gases. Como el disolvente influye en la longitud de onda de las bandas, es muy importante elegir el más adecuado en cada caso; lo ideal es que este no absorba en la región de interés. Algunos hidrocarburos saturados (como el hexano), así como el metanol, el éter dietílico o el agua, solo absorben a muy bajas longitudes de onda, en el UV lejano. El tetracloruro de carbono, que es un buen disolvente de compuestos orgánicos, no es recomendable en esta técnica porque presenta una banda de absorción a 257 nm que puede interferir.

La muestra se introduce en celdas o cubetas fabricadas, generalmente, de cuarzo (para la región UV) o de plástico o vidrio (para la visible), pues estas especies no absorben en esas zonas del espectro electromagnético (si el vidrio común absorbiera en el visible, al mirar a través de un cristal incoloro los objetos no se verían del color que tienen). Habitualmente, para líquidos se emplean celdas de 1 cm de anchura como las que se muestran en la figura siguiente. Las de gases son bastante más anchas para compensar su menor concentración; efectivamente, al aumentar la longitud del camino óptico que ha de recorrer la radiación, esta podrá excitar a más moléculas.

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Los instrumentos UV normalmente permiten registrar el espectro entre 200 y 380 nm mediante óptica de cuarzo, es decir, empleando este material en todo el sistema óptico. Los componentes atmosféricos O2, H2O y CO2 son transparentes en esa región. Pero si se desea obtener el espectro entre 10 y 200 nm (intervalo en el que sí absorben estos gases), la cámara de muestras del instrumento debe estar preparada para poder hacer el vacío en su interior; por eso, dicha región se conoce como de UV de vacío. Otra opción es purgar la cámara con un gas no absorbente que desplace a los demás.

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El espectrómetro UV-visible

Para obtener el espectro UV-visible, la muestra se ha de colocar en el lugar adecuado para que la radiación procedente de una fuente y seleccionada por un monocromador o un sistema de filtros pase a su través. Parte de la radiación de cada longitud de onda la absorberá la muestra y parte se transmitirá. Un detector medirá la potencia de la radiación transmitida para cada longitud de onda. El conjunto de estos elementos, junto con el resto de dispositivos ópticos necesarios para conducir la radiación, constituye un espectrómetro UV-visible (ver la siguiente figura). La representación de la absorbancia medida por el detector frente a la longitud de onda es el espectro UV-visible.

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Existen dos tipos de aparatos: de un solo haz y de doble haz (como el de la figura anterior). En los de un solo haz el detector mide primero los valores de potencia transmitida, P′, para cada longitud de onda cuando en la cámara de muestra se coloca simplemente una cubeta vacía o llena de un blanco (el disolvente, por ejemplo); después mide la potencia transmitida por la muestra, P, para cada longitud de onda. Un ordenador efectúa el cociente entre ambos valores para cada λ, calcula el logaritmo de este cociente y así obtiene la diferencia de absorbancias entre el sistema muestra+disolvente y el disolvente solo, es decir, da la absorbancia debida solo al analito disuelto. Lo justifica la siguiente demostración matemática:

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Este modo de proceder ofrece la ventaja adicional de que no es necesario medir la potencia de la fuente, P0, con lo que se evita el problema de las fluctuaciones a las que suele estar sometida.

En los espectrómetros de doble haz el haz de radiación producido por la fuente se divide en dos mediante algún dispositivo óptico como un divisor de haz o un semiespejo. Este refleja la mitad de la radiación que le llega y deja pasar a su través la otra mitad. Una de las mitades se dirige hacia la cubeta donde se halla la referencia y la otra va a la que contiene la muestra. Dos detectores miden las potencias de las radiaciones que salen de ambas cubetas. Esto permite calcular la absorbancia de la muestra, como se acaba de explicar. Otros instrumentos cuentan con un solo detector, pero van equipados con un espejo de sectores o un cortador óptico cuya función es dirigir alternativamente el haz a la referencia y a la muestra.

Fuentes y detectores

Como fuentes se suelen emplear lámparas de deuterio o de hidrógeno, que emiten por excitación eléctrica radiación UV continua desde 160 a 400 nm, o, para la zona del visible, una lámpara incandescente de filamento de wolframio al que se mezcla una pequeña cantidad de yodo, lo que mejora sus propiedades. Puede usarse el mismo instrumento para las dos regiones con solo cambiar de fuente. También se suelen emplear lámparas de arco de xenón, que producen un espectro de radiación continua que cubre la región UV entre 200 y 380 y toda la visible.

En cuanto al detector, para la región visible puede usarse una célula fotovoltaica dentro de la cual se genera una corriente eléctrica proporcional al número de fotones que recibe. Para la región UV se emplean fototubos de vacío o, si se han de medir potencias pequeñas, una variedad de ellos que se llama tubo fotomultiplicador. Este dispositivo, como su nombre indica, multiplica el efecto de cada fotón que le llega. Es muy sensible en ambas regiones pero las radiaciones muy potentes lo dañan. Se usan cada vez más los detectores de matriz de diodos. Contienen centenares o miles de pequeños detectores llamados fotodiodos, cada uno de los cuales registra una longitud de onda determinada, por lo que el espectro se obtiene de una vez (en un tiempo del orden de un segundo). En la figura siguiente se ilustra cómo se dirige toda la radiación mediante un elemento dispersante a una matriz de diodos.

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Fotómetros, espectrofotómetros y colorímetros

Existe discrepancia o confusión a la hora de dar nombre a los distintos aparatos que se emplean en espectroscopía UV-visible. Siguiendo el criterio de Skoog (2001), los instrumentos formados simplemente por una lámpara (habitualmente de wolframio), un filtro para seleccionar la longitud de onda (comúnmente de gelatina de diversos colores) y un detector adecuado que responda a la región de interés (célula fotovoltaica si es en el visible) se deben llamar fotómetros. Y los que tienen algún tipo de monocromador, espectrofotómetros.

La principal diferencia entre unos y otros es que los fotómetros solo permiten seleccionar algunas longitudes de onda, mientras que con los espectrofotómetros puede hacerse un barrido de longitudes de onda dentro de un cierto intervalo (por ejemplo todo el visible y el UV próximo). Además, un filtro suele dejar pasar fotones de longitudes de onda dentro de un intervalo –30 o 40 nm– mucho mayor que un monocromador (comúnmente del orden de 1 nm, aunque pueden alcanzar dos órdenes de magnitud menos). También se puede optar por un filtro de interferencias, que deja pasar radiación dentro de un ancho de banda de unos 10 nm. Por otro lado, el sistema de detección de los espectrofotómetros es más sensible.

clip_image010La IUPAC, en su Libro Dorado, desaconseja la palabra espectrofotómetro y recomienda usar siempre espectrómetro, denominando espectrómetros de filtros a los que tienen filtros. Lo que no es aceptable, por más extendido que esté, es llamar colorímetros a los espectrómetros de filtro que operan en la región visible, como suele ser la tendencia de muchos fabricantes (véase en la figura de al ladola imagen de un espectrómetro de filtros rotulado “colorimeter”). En su acepción original, un colorímetro era un instrumento que hoy día cabe calificar de rudimentario y obsoleto cuya particularidad principal es que el “detector” es el ojo humano, mediante el cual se compara la intensidad de color de una disolución problema con disoluciones patrón de concentraciones conocidas para estimar la concentración. (Se han ideado ingeniosas variantes como el colorímetro Duboscq, que permite determinaciones rápidas y sencillas empleando un solo patrón.)

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2 Respuestas a "Especrofotometría UV-visible (II): El espectrómetro"

  1. Marceça   20 - Noviembre - 2013 at 0:33

    Me gustaría saber el autor y la data de la publicación de este articulo.

    Gracias,

    Marcela Vidal

    Responder
  2. Triplenlace   20 - Noviembre - 2013 at 8:09

    Las tres partes de este artículo sobre Espectrometría UV-Vis son un extracto tomado (con permiso de los autores) del capítulo 5 del libro:

    Jose Mª Gavira Vallejo, Antonio Hernanz Gismero: Técnicas Fisicoquímicas en Medio Ambiente, Editorial UNED, Colección Grado, 6101206GR01A01, Primera edición: noviembre de 2011, ISBN: 978-84-362-6389-3

    Existe una web dedicada a dicho libro: http://tfqma.wordpress.com.

    Responder

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