tema 7

TEMA 7

COMPONENTES DE LOS

INSTRUMENTOS

ESPECTROSCÓPICOS

7.1 Introducción

7.2 Instrumentación

• Fuente estable de energía radiante.

7.1. INTRODUCCIÓN

• Selector de longitudes de onda que permite el aislamiento de una región reducida de λ.

• Uno o más recipientes con la muestra.

• Detector de la radiación o transductor: convierte la energía radiante en una señal medible.

• Procesador y lector de la señal.

COMPONENTES BASICOS DE UN ESPECTROMETRO Vis-UV

3 41 2

1 FUENTE DE RADIACIÓN o LÁMPARA

SISTEMA ÓPTICO

a) Sistema para dirigir la radiación

b) Sistema de aislamiento de la longitud de onda

2

3 RECIPIENTE PARA LA MUESTRA (GENERALMENTE LÍQUIDA)

4 SISTEMA DE DETECCIÓN (TRANSDUCTOR DE LA RADIACIÓN)

a) b)

7.1. INTRODUCCIÓN

Componentes de varios tipos de instrumentos de espectroscopía óptica: (a) espectroscopía de emisión; (b) espectroscopía de absorción; (c) espectroscopía de fluorescencia y de dispersión.

Espectroscopia de emisión

Espectroscopia de absorción

Espec. de fluorescencia

7.2. INSTRUMENTACIÓN

Deben proporcionar una RADIACIÓN que sea tanto intensa como estable en la región deseada del espectro electromagnético.

Facilitar la detección y medida del analito.

Se clasifican en: Continuas

Línea

Son aquellas que emiten radiaciones de todas las λ dentro de una región espectral.

Van a emitir radiaciones cuya intensidad varía sólo de forma gradual en función de la λ.

Lámpara de H2 y D2

Lámpara de filamento de Wolframio o Tungsteno Lámpara de Xenón

Es aquella que sólo emite radiaciones de determinadas λ

Lámpara de Cátodo Hueco Lámpara de vapor de Hg Láser

FUENTES ESPECTROSCÓPICAS


Intervalos de onda que son transparentes los distintos materiales que utilizan para fabricar ventanas, lentes, recipientes de muestra y prismas de instrumentes espectroscópicos.

TRANSMITANCIA DE MATERIALES


• Proporcionan una radiación constituida por un grupo limitado y continuo de λ estrecho denominado BANDA.

SELECTORES DE LONGITUDES DE ONDA

• Ningún selector es capaz de proporcionar una única λ o frecuencia (radiación monocromática), sino una distribución de λ.

• Ancho de banda efectivo: anchura de banda de radiación que pasa a través de un selector de longitud de onda, medida a la mitad de la altura de la banda.



Tipos de selectores de longitudes de onda:

Filtros Monocromadores

FILTROS Se define como un selector de longitud de onda que emplea

absorción o interferencia constructiva o destructiva para controlar el rango de longitudes de onda seleccionadas.

Los filtros trabajan absorbiendo todas las radiaciones excepto una banda estrecha de radiación procedente de una fuente continua.



Tipos de filtros

Filtros de interferencia

Filtros de absorción



MONOCROMADORES

Permiten variar de forma continua y en un amplio intervalo la λde radiación, esto es, hacer un barrido de un espectro (barrido espectral) y permiten aislar cualquier porción deseada del espectro.

Componentes de un monocromador:

Una rendija de entrada Una lente o espejo colimador para producir un haz paralelo Un prisma o red de reflexión, para dispersar la radiación en las λ que la componen Un elemento de enfoque Ventanas de entrada y salida



MONOCROMADORES

LUZ COLOR

Sistemas DISPERSIVOS: MONOCROMADORES

•En una red la luz se dispersa linealmente,lo que significa que la separación de las distintas λs a lo largo del plano focal varía linealmente con la longitud de onda. (Ver (a))

•Un prisma dispersa la luz angularmente, lo que significa que la separación de las distintas λs a lo largo del plano focal no es lineal. Es decir, las λs más cortas se dispersan en mayor medida que las λs más largas. (ver b). Además, existe una dependencia de la λ con el índice de refracción del material del prisma.

Dispersión lineal o angular de los monocromadores

ABSORCIÓN


• UV (λ<350 nm): cuarzo o sílice fundida (Vis e IR)

RECIPIENTES PARA LAS MUESTRAS

350 a 2000 nm: vidrio de silicato

Las celdas o cubetas deben fabricarse de un material que permita el paso de la radiación de la región espectral de interés.

Vis: plástico

IR: NaCl cristalino


DETECTORES

DETECTOR: Dispositivo que indica la existencia de un algún fenómeno físico.

TRANSDUCTOR: Tipo especial de detector que convierte distintas magnitudes físicas o químicas (luz, pH, temperatura,...) en señales eléctricas (voltaje, carga o corriente).


DETECTORES

PROPIEDADES DE LOS TRANSDUCTORES

Debe responder rápidamente a bajos niveles de energía radiante en un amplio intervalo de λ.

Debe producir una señal eléctrica que se amplifique fácilmente y que tenga un nivel de ruido relativamente bajo.

Debe presentar una mínima señal de salida en ausencia de radiación.

Es esencial que la señal eléctrica producida por el transductor G sea directamente proporcional a la potencia del haz (P).

G = K · P


DETECTORES

Detector ideal

Debe tener sensibilidad elevada..

Debe tener respuesta lineal para la energía radiante y un tiempo de respuesta pequeño.

Debe ser utilizable en un rango amplio de longitudes de onda.

Elevada relación señal/ruido.

Mínima señal en ausencia de radiación.

Buena disponibilidad para la amplificación de señal.


DETECTORES

TIPOS DE TRANSDUCTORES

Detectores de fotones (fotoeléctricos o cuánticos):

- Fototubos

- Tubos fotomultiplicadores (respuesta rápida y

elevada sensibilidad)

- Detectores de foto conductividad

- Fotodiodos de silicio

- Celdas fotovoltaicas (sencillos, baratos y buenos para radiación

vísible

Detectores que responden a calor (caloríficos o térmicos) SON UTILIZADOS EN LA ZONA DEL INFRARROJO


PROCESADORES Y MEDIDORES DE SEÑAL

PROCESADOR: Es un dispositivo electrónico que amplifica la señal eléctrica de salida de un detector.

En la actualidad las señales obtenidas son recogidas y almacenadas en un ordenador que nos permite realizar tratamientos matemáticos de la señal.

•Doble haz•Diodo array

DETECTORES DE FOTONES

Actualmente , la forma más utilizada de transducción de la energía radiante en Espectrofotometría VIS-UV es mediante un detector de fotones

LOS DETECTORES DE FOTONES SON DISPOSITIVOS QUE TRANSFORMAN LA ENERGIA RADIANTE EN UNA SEÑAL ELÉCTRICA

1.- Célula Fotovoltaica

2.- Fototubo

3.- Tubo Fotomultiplicador

4.- Fotodiodos

Entre estos detectores están:

1.- Célula Fotovoltaica: La energía radiante genera una corriente en la interfase entre un semiconductor (ej. Se, Hg-Cd-Te) y un metal (Fe o Cu).

Al incidir la radiación, el semiconductor se vuelve conductor. Se rompen los enlaces y se liberan electrones y huecos positivos.Los electrones migran hacia la película metálica y pasan al circuito externo para recombinarse con los huecos que migran hacia el metal base.Se crea una corriente cuya magnitud es proporcional al número de fotones que inciden.

Las células fotovoltaicas de Si se denominan Células solares y se utilizan como fuentes de potencia o baterías solares.

SEMICONDUCTOR

RADIACIÓNELECTROMAGNÉTICA

METAL BASE

Ag SEMITRANSPARENTE

e -

e -

e -

++ ++

Metal Base

Ag


• Se utilizan en el VIS (350-700 nm)

•No usan fuente externa de Energía

2.- Fototubo: La radiación causa una emisión de electrones de una superficie sólida fotosensible.Basado en el efecto fotoelectrico.


• Se utilizan en el UV-VIS (190-700 nm)

•Es más sensible que la célula fotovoltaica.

El material fotosensible del cátodo(ej.óxidos de metales alcalinos) emite electrones al ser irradiado. Debido al voltaje aplicado entre los electrodos, los electrones se dirigen al ánodo, por el circuito fluye una corriente cuya intensidad es directamente proporcional a la intensidad de la radiación que la provoca.

Está constituido por un cátodo semicilíndrico y un ánodo de filamento en una ampolla de cuarzo o vidrio donde se ha hecho el vacío.Entre los electrodos se aplica un voltaje

e -

e -

e -

Catodo

Anodo

3.- Tubo fotomultiplicador: Al ser iluminado el cátodo fotosensible se emite electrones que son acelerados por el campo eléctrico e inciden sobre varias superficies liberando una cascada de electrones secundarios, 106- 107 electrones por cada fotón incidente.


•Son muy sensibles a la radiación VIS y UV.

•Tienen tiempos de respuesta muy rápidos.

•Solo pueden medir radiación de baja potencia.

•Su sensibilidad viene limitada por la corriente oscura debida a la amplificación.

Constituido por un cátodo fotosensible (similar al fototubo) y un ánodo colector separados por una serie de electrodos positivos de MgO, GaP (entre 5-11), llamados dínodos (cada uno a un voltaje 90 V superior al anterior) que emiten de 2 a 5 electrones cuando son golpeados con electrones de suficiente energía.

Ventana de cuarzoDínodo 1

Dínodo 2

Dínodo 3

Fotocátodo

Ánodo

hν

4.- Fotodiodos de silicio: La absorción de la radiación electromagnética aumentan la conductividad a través de una unión pn de polarización inversa.


•Sensibles entre 190-1100 nm.

•Se pueden miniaturizar y utilizar en series lineales de fotodiodos (p.e. 1024 diodos).

La polarización inversa crea una capa de depleción que reduce casi a cero la conductividad del dispositivo. Sin embargo, cuando sobre esta zona de depleción incide la radiación, se forman en ella agujeros y electrones libres que dan lugar a un aumento de la conductividad y se crea una corriente eléctrica que es proporcional a la potencia radiante.

– electrones

+ huecos

Unión pn de polarización inversa

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