Principios y Técnicas de Espectroscopia: UV-Vis, IR y Absorción Atómica

Fundamentos de la Espectroscopia

Las técnicas espectroscópicas se basan en la absorción o emisión, por parte del analito, de la radiación electromagnética del espectro electromagnético. Este espectro comprende un amplio abanico de longitudes de onda, entre las que se puede destacar, por su especial interés, la región UV-Visible. Dicha región comprende las longitudes de onda que van desde los 10 nm hasta los 780 nm, aproximadamente:

En la espectroscopía UV-Visible se hace uso de la región correspondiente al UV próximo (a partir de 180 nm) y al espectro visible (entre 380 y 780 nm). Esto es así, ya que en el UV lejano (10-180 nm) se producen fenómenos de absorción por parte del oxígeno presente en el aire, lo que complicaría las mediciones al introducir la necesidad de trabajar en condiciones de vacío. La energía de la radiación UV-Visible tiene energía suficiente como para producir la transición entre niveles electrónicos, por lo que puede ser absorbida por el analito y disipada en forma de calor.

Cuando la radiación electromagnética incide sobre la materia, se produce la absorción específica de aquellas frecuencias (o longitudes de onda) que proporcionan la energía exacta que corresponde a una transición desde el estado fundamental a uno o más de los posibles estados excitados. Así, los espectros de absorción representan la distribución de la energía absorbida por una especie en función de la frecuencia (o longitud de onda) de la radiación implicada en el proceso. En especies poliatómicas, los estados electrónicos engloban estados vibracionales y rotacionales, por lo que los espectros UV-Visible muchas veces corresponden a bandas anchas que comprenden todas las transiciones posibles dentro de un mismo estado electrónico. La diferencia energética entre el estado fundamental y los estados excitados son exclusivas para cada especie. Por tanto, el análisis de la frecuencia absorbida ofrece información cualitativa sobre los componentes de una muestra.

Asimismo, la cantidad de energía transferida desde una determinada radiación monocromática a una especie química es proporcional a su concentración, lo que permite también obtener información cuantitativa sobre los analitos presentes en las muestras estudiadas. Para medir la intensidad de la radiación que absorbe la muestra, esta técnica se basa en una medición indirecta a partir de la intensidad de radiación incidente (I₀) y de la transmitida (I_t) a través de la muestra. A partir de estos conceptos se pueden definir dos magnitudes: transmitancia y absorbancia. La transmitancia (T) es una medida de la relación entre la intensidad de radiación transmitida a través de la muestra y la intensidad de radiación incidente, siendo habitual expresarla en forma de porcentaje:

La absorbancia (A) es la función logarítmica de la inversa de la transmitancia:

Clasificación de las Técnicas Espectroscópicas

Según el tipo de fenómeno espectroscópico:

• Espectroscopía de Absorción: La radiación incide sobre la muestra, que absorbe aquellas longitudes de onda que corresponden a la diferencia de energía entre los estados implicados. Se mide la atenuación que se produce sobre el haz incidente una vez transmitida a través de la muestra.
• Espectroscopía de Emisión: Se mide la frecuencia o intensidad de radiación emitida por la muestra tras someterse a un proceso de excitación mediante alguna forma de energía no radiante (llamas, antorchas de plasma…).
• Espectroscopía de Quimioluminiscencia: Se mide la emisión de radiación por parte de una especie excitada a partir de reacciones químicas.
• Espectroscopía de Fotoluminiscencia (Fluorescencia y Fosforescencia): La muestra es sometida a radiación electromagnética, sufriendo un proceso de excitación. Posteriormente, se mide la radiación reemitida por la misma al producirse la relajación.

Según la naturaleza de la especie química involucrada:

• Espectroscopía Atómica: Solo se producen transiciones entre estados electrónicos, ya que las especies involucradas son átomos que generan espectros atómicos formados por líneas.
• Espectroscopía Molecular: Se producen transiciones entre los niveles vibracionales y rotacionales, debidas a los enlaces presentes. Los espectros moleculares se caracterizan por formar bandas anchas.

Según la región del espectro:

• Espectroscopía de Microondas (MW): Transiciones entre estados rotacionales.
• Espectroscopía de Infrarrojo (IR): Transiciones vibracionales.
• Espectroscopía Ultravioleta/Visible (UV/Vis): Transiciones electrónicas.
• Espectroscopía de Rayos X: Transiciones electrónicas en las capas internas del átomo.

Espectroscopia de Absorción Molecular (UV-Vis)

En el caso en que se considere una radiación monocromática, se cumple que la absorbancia es directamente proporcional a la concentración de la especie responsable de la absorción. Esta relación se conoce como ley de Lambert-Beer, y se puede representar matemáticamente como:

En esta ecuación, ε representa la absortividad molar (o absorbancia específica), dependiente de la naturaleza del cromóforo y de las condiciones experimentales (disolvente, temperatura, pH…); b es la longitud de paso óptico, es decir, el espacio que debe recorrer la radiación a través de la muestra; y c es la concentración de especie absorbente (o cromóforo).

Desviaciones de la Ley de Lambert-Beer

En ocasiones, la ley de Lambert-Beer presenta desviaciones de la linealidad. En ciertos casos son limitaciones inherentes a la propia ley, conocidas como desviaciones reales; pero en otros casos se deben a la influencia de procesos químicos o instrumentales, denominándose entonces desviaciones aparentes.

• Desviaciones Reales: A elevadas concentraciones (habitualmente superiores a 0,01 M) se produce un aumento en la interacción entre las moléculas del soluto y con el disolvente. Esto modifica la capacidad de las especies químicas para absorber la radiación. También influyen fenómenos de refracción ya que al aumentar la concentración así lo hace el índice de refracción, lo que provoca una disminución en la capacidad de absorción.
• Desviaciones Aparentes: Existen dos casos:
  • Desviaciones Químicas: Debidas a reacciones químicas en las que interviene la especie absorbente. Pueden comprender procesos de asociación, disociación o cualquier otro tipo de reacción que modifique el equilibrio químico en que se encuentran las especies absorbentes. Esto da lugar a productos de diferente absortividad molar que generan desviaciones en la absorbancia que pueden ser en sentido positivo o negativo.
  • Desviaciones Instrumentales: Existen tres causas principales:
    • Uso de fuentes no monocromáticas.
    • Radiación de fondo (radiaciones parásitas).
    • Cubetas desajustadas o no emparejadas.

Instrumentación en Espectroscopia UV-Visible

Los componentes básicos de un instrumento de absorción molecular UV-Visible son: fuente de radiación, sistema de selección de la longitud de onda, recipiente portamuestras, detector y módulo de procesamiento, presentación y registro de la señal.

Fuente de Radiación

Los requisitos de una fuente ideal son:

• Tener una potencia de emisión lo suficientemente elevada como para poder detectar y medir con precisión la radiación electromagnética.
• Emitir una radiación estable en el tiempo, evitando la deriva continua y la variación de la intensidad por variaciones en el voltaje de alimentación. Esto se consigue empleando estabilizadores o reguladores de tensión.
• Presentar una intensidad de emisión constante en todo el intervalo de longitudes de onda.

El último de estos requisitos es poco realista, por lo que en la práctica hay que limitarse al uso de fuentes continuas, esto es, aquellas que tienen una intensidad de emisión gradual en función de la longitud de onda. Frente a estas fuentes continuas podemos encontrar las fuentes discretas (o de líneas), que emiten exclusivamente a determinadas longitudes de onda. Sin embargo, este último tipo de fuentes no son útiles para el barrido espectral. Las fuentes de radiación más utilizadas en la práctica son: lámparas térmicas, lámparas de descarga eléctrica y lámparas LED.

Las lámparas térmicas tienen un funcionamiento basado en la emisión de radiación por efecto de la temperatura a la que se somete un filamento metálico al conducir a través de él una corriente eléctrica. Las más empleadas son las de wolframio y las de wolframio-halógeno.

Las de descarga eléctrica funcionan a partir de la producción de descargas eléctricas en el seno de un gas, cuyas moléculas se excitan y a continuación se relajan emitiendo un espectro de líneas que se ensanchan a medida que la presión del gas aumenta, dando lugar a un espectro de bandas. Las lámparas de este tipo más empleadas son la lámpara de hidrógeno/deuterio y las de vapor metálico. En cuanto a las lámparas LED, hoy en día son las más utilizadas para barrer la región visible del espectro. Están construidas a partir de diodos emisores de luz y presentan una mayor vida útil que las lámparas de wolframio.

Selector de Longitud de Onda

Para que se cumpla la ley de Lambert-Beer, la radiación que debe incidir sobre la muestra ha de ser monocromática. Además, el uso de fuentes monocromáticas minimiza las desviaciones de la ley, así como produce un aumento en la selectividad y la sensibilidad. Aunque idealmente se debería reducir la radiación incidente a una longitud de onda únicamente, en la práctica lo que se consigue es una banda más o menos estrecha de longitudes de onda. Esta banda se caracteriza por su longitud de onda nominal y el ancho de banda efectivo, considerado como el intervalo de longitudes de onda que transmite el dispositivo selector medido a la mitad de altura de dicha banda. Para la selección de la longitud de onda se suele hacer uso de filtros de absorción o de interferencia, o de monocromadores de prisma o de red. Los filtros son dispositivos sencillos, resistentes y fáciles de manejar, cada filtro proporciona una determinada banda de radiación. Existen dos tipos principales de filtros: de absorción y de interferencia.

Los filtros de absorción, empleados exclusivamente en la región visible, se basan en la absorción selectiva de porciones concretas del espectro. Suelen consistir en un vidrio coloreado o una suspensión de colorante en gel entre dos láminas de vidrio. Son económicos, pero presentan anchos de banda efectivos bastante amplios (entre 20 y 50 nm), lo que limita sus aplicaciones cuantitativas si se requiere una elevada precisión o sensibilidad.

Los filtros de interferencia, por su parte, se pueden emplear en la región visible, UV e incluso IR. Se basan en el fenómeno de interferencia óptica, y consisten en un material dieléctrico rodeado de dos láminas metálicas semitransparentes. En función del espesor de la capa de material dieléctrico, se refuerza la transmisión de una determinada longitud de onda y el resto sufren una interferencia destructiva. Proporcionan anchos de banda menores a los filtros de absorción, aproximadamente 10 nm, así como una mayor transmitancia.

Por su parte, los monocromadores se basan en la descomposición de la radiación policromática y la posterior selección de la longitud de onda de interés. Permiten la variación continua de la longitud de onda de la radiación incidente, realizando así un barrido de todo el espectro. Un monocromador se compone de los siguientes elementos:

• Rendija de entrada.
• Lente o espejo colimador: Produce un haz de radiación paralelo.
• Elemento dispersor: Puede estar constituido por un prisma (que actúa por refracción) o, más habitualmente por sus mejores prestaciones, por una red de difracción.
• Lente o espejo de enfoque: Dirige y enfoca la radiación sobre el siguiente elemento.
• Rendija de salida: Aísla la longitud de onda deseada.

Compartimento y Recipientes para Muestras

El compartimento para la muestra es el lugar físico donde se aloja la cubeta o cubetas de muestras. Por lo general consta de uno o más contenedores de muestras y las aberturas para las lentes ópticas. Además, suele estar recubierto de pintura no volátil, oscura y de muy baja reflexión, capaz de absorber un amplio rango de radiaciones. Debe permitir alojar accesorios adicionales y opcionales como esferas de integración (para espectroscopía por reflectancia difusa), microceldas, sipper…

Las celdas o cubetas, por su parte, deben estar constituidas por materiales que no absorban radiación en la zona del espectro en que se trabaje. Para la región visible, lo habitual es usar cubetas de vidrio de alta calidad o, más económicas, cubetas de plástico (usualmente poliestireno). En la región UV, sin embargo, se deben emplear cubetas de cuarzo o de sílice fundida. En el caso de las cubetas de cuarzo, vidrio y sílice fundida, suelen venderse emparejadas (en pares o grupos de 4 o 6), para minimizar las diferencias y desviaciones de la ley de Lambert-Beer. Algunas consideraciones sobre las cubetas para espectroscopía son:

• Longitud de paso óptico: Habitualmente es de 1 cm, pero las hay desde 0,1 cm (para materiales con elevada absorbancia) hasta 10 cm (materiales con poca absorbancia).
• Caras paralelas: Muchas cubetas presentan dos caras translúcidas.
• Tapón: Se suelen emplear si existen componentes volátiles en la muestra.
• Microcubetas: Se emplean cuando se dispone de pequeñas cantidades de muestra.
• Celdas de flujo: Permiten el análisis continuo de efluentes y la automatización del proceso de análisis.
• Celdas para gases: Son celdas cilíndricas con entrada y salida para la muestra y la posibilidad de varios pasos ópticos.

Detectores

Un detector ideal presenta las siguientes propiedades:

• Respuesta lineal y sensibilidad elevada.
• Alta relación señal/ruido.
• Señal de salida cero en ausencia de iluminación.
• Señal fácilmente amplificable.
• Respuesta constante en un amplio intervalo de longitudes de onda.
• Rápido tiempo de respuesta.

Existen dos tipos de detectores, los que generan una señal en respuesta a los fotones incidentes (fotónicos) y los que responden a un aumento de temperatura (térmicos). Los más habituales en espectroscopía UV-Visible son los detectores fotónicos, entre los que destacan:

• Fototubos: Se trata de un bulbo o tubo cerrado al vacío o relleno de gas inerte con un ánodo en forma de filamento y un cátodo cilíndrico recubierto de un material fotoemisor. Está basado en el efecto fotoeléctrico de tal manera que la radiación transmitida por la muestra incide sobre el cátodo que libera una cantidad de electrones proporcional a la frecuencia de la radiación incidente.
• Fototubos Multiplicadores: A partir del mismo fundamento que los fototubos, incluyen una serie de dínodos entre el cátodo y el ánodo que amplifican la señal y dan lugar a una mayor sensibilidad y menores tiempos de respuesta. Sin embargo, son dispositivos muy caros y que requieren un mantenimiento a bajas temperaturas.
• Detector de Fotodiodos en Serie: Constituidos por materiales semiconductores, basan su fundamento en la fotoconducción. Su reducido tamaño permite la fabricación en conjuntos de 1000 o más unidades, lo que los convierte en detectores multicanal. Sin embargo, presentan menor sensibilidad que los fototubos multiplicadores.
• Detector de Transferencia de Carga: También es un detector multicanal cuyos elementos de medida pueden acomodarse en una matriz bidimensional. Presentan un tamaño reducido y una sensibilidad similar a la que presentan los fototubos multiplicadores.

Tipos de Instrumentos UV-Visible

Los instrumentos en espectroscopía molecular UV-Visible pueden adoptar, en general, cuatro configuraciones diferentes: de haz sencillo, de haz doble en el espacio, de haz doble en el tiempo y multicanal.

• Instrumentos de Haz Sencillo: Presentan un único camino óptico que implica alternar la medida de la cubeta que contiene la muestra con la de referencia.
• Instrumentos de Haz Doble en el Espacio: Presentan un divisor de haz que permite que la radiación pase simultáneamente por la muestra y la referencia.
• Instrumentos de Haz Doble en el Tiempo: En estos instrumentos se dispone de un espejo giratorio con sectores transparentes y reflectantes (chopper) que dirige el haz de radiación a la muestra o a la referencia alternativamente.
• Instrumentos Multicanal: Estos instrumentos no seleccionan la longitud de onda incidente, sino que irradian la muestra con una radiación policromática. El elemento dispersor se ubica tras la muestra, empleándose detectores multicanal como el de fotodiodos en serie o de transferencia de carga.

Características Analíticas y Aplicaciones UV-Visible

La espectroscopía UV-visible es la técnica espectroscópica más empleada en la actualidad ya que:

• Presenta un campo de aplicación muy amplio que abarca la determinación cuantitativa de un elevado número de especies químicas.
• Es aplicable a muestras en disolución, en estado gaseoso o incluso en estado sólido.
• Presenta una elevada selectividad, basada en la selección de la longitud de onda incidente.
• Posee una gran sensibilidad.
• Tiene bajos límites de detección (entre 10^-4 y 10^-5 M).
• Es una técnica rápida, sencilla, cómoda y automatizable.

Espectroscopia de Absorción IR

La espectroscopía IR es una técnica basada en la absorción, por parte de la materia, de la radiación electromagnética correspondiente a la región IR del espectro electromagnético. Esta región comprende longitudes de onda que van entre los 780 nm hasta 1 mm. Habitualmente, para facilitar la expresión numérica, en esta región del espectro la longitud de onda suele expresarse en forma de número de onda (cm^-1). Así, el espectro IR comprende de 12820 cm^-1 hasta 10 cm^-1. La región IR del espectro se divide en tres subregiones: el IR cercano (comprendido entre 12820 cm^-1 y 4000 cm^-1), el IR medio (entre 4000 cm^-1 y 200 cm^-1) y el IR lejano (de 200 cm^-1 a 10 cm^-1).

La energía de los fotones IR es considerablemente menor a la que poseen los fotones de radiación UV-Visible, por eso solo son capaces de producir, en las especies químicas correspondientes, transiciones a estados vibracionales de mayor energía dentro del propio estado electrónico en que se encuentran dichas especies. Además, dado que los estados energéticos vibracionales contienen a su vez múltiples estados rotacionales, las bandas de absorción en IR son anchas. Debido a que la excitación ocurre sobre niveles vibracionales, es condición necesaria que las especies absorbentes posean enlaces químicos covalentes. Esto restringe esta técnica a especies moleculares, con la excepción de las moléculas diatómicas homonucleares (O₂, N₂…). Cada grupo funcional presente en la molécula absorberá a una o varias longitudes de onda características, correspondientes cada una de ellas a un modo de vibración diferente (existen 6 modos de vibración principales).

Cada enlace absorberá a una frecuencia determinada, dando lugar a un espectro característico. Según lo fuertes que sean los enlaces y la masa de los átomos implicados, la energía requerida será diferente. Este fenómeno convierte a la espectroscopía IR en una técnica ideal para la identificación de compuestos. Por lo general, en un espectro infrarrojo se representará la transmitancia respecto del número de onda, luego las bandas de absorción serán descendentes y el valor del eje de abscisas crecerá en sentido negativo. Un espectro IR puede aportar mucha información de tipo cualitativo y estructural. Sin embargo, esta técnica presenta limitaciones en cuanto a su aplicación al análisis cuantitativo.

Instrumentación en Espectroscopia IR

Los componentes básicos de un instrumento de absorción IR pueden ser ligeramente diferentes en función del tipo de instrumento. En cualquier caso, pueden dividirse en tres grandes grupos: fuente de radiación, módulo portamuestras y detector.

Fuente de Radiación

Para el IR cercano (12820 cm^-1 a 4000 cm^-1 –780 nm a 2500 nm–) se emplean lámparas de wolframio, con un rango entre 350 nm y 2200 nm, y lámparas LED, muy eficaces y de pequeño tamaño, pero que solo pueden emitir hasta los 1600 nm. En el IR medio (4000 cm^-1 a 200 cm^-1 –2500 nm a 50 µm–) se emplean fuentes constituidas por sólidos inertes que emiten IR por calentamiento como los emisores de Nernst, constituidos por una mezcla de óxidos de tierras raras; varillas de Globar (Si₂C), menos intensas pero más estables que los anteriores; o filamentos incandescentes de nicromo (Ni-Cr) o Rh-cerámica. Para la región del IR lejano (200 cm^-1 a 10 cm^-1 –50 µm a 1 mm–) se emplean lámparas de arco de Hg a alta presión.

Módulo Portamuestras

En esta técnica se analizan muestras en estado gaseoso, líquido y sólido. Por este motivo, existen diversos tipos de módulos portamuestras en función del estado y forma de la muestra que se adaptan al compartimento del instrumento.

• Para muestras gaseosas se emplean celdas cilíndricas con ventanas transparentes de material adecuado y válvulas para la aspiración y entrada de la muestra. Existen celdas con diferente longitud de paso óptico e incluso con espejos para que la radiación atraviese varias veces la muestra antes de salir de la celda.
• En muestras líquidas se utilizan celdas desmontables formadas por dos placas entre las que se fijan dos ventanas de un material adecuado y un separador entre ellas que permita colocar una película del espesor apropiado (entre 0,01 y 1 mm) para conseguir distintas longitudes de paso óptico.
• En el caso de muestras sólidas se emplean diferentes técnicas. La primera opción, si es viable, es la disolución de la muestra en una concentración adecuada. En otros casos, se peletiza la muestra mezclando un pulverizado de la misma con un agente dispersante transparente al IR (usualmente KBr) y sometiéndolo a presión elevada para formar pastillas que, posteriormente, se colocan en la trayectoria del haz incidente con el soporte adecuado. Otros métodos incluyen la suspensión o emulsión de la muestra finamente dividida en un agente adecuado como el nujol o el hexaclorobutadieno, colocándose posteriormente en una ventana portamuestras para líquidos. Finalmente, la muestra sólida también puede analizarse por reflectancia difusa o reflectancia atenuada total, utilizando los módulos portamuestras específicos.

Detectores

La radiación IR no tiene energía suficiente como para producir la respuesta de detectores fotónicos como los empleados en espectroscopía UV-Visible. Por eso se emplean detectores térmicos y fotoconductores. Los detectores térmicos responden a la radiación incidente mediante un aumento de temperatura que se convierte en una señal eléctrica. Tienen peores características que los detectores fotónicos: tiempo de respuesta lento y baja sensibilidad; así como un elevado ruido de fondo debido a la fluctuación térmica. Algunos ejemplos de detectores térmicos son los termopares, las termopilas (constituidas por varios termopares en serie), los bolómetros (formados por termorresistencias o por elementos semiconductores –termistores–) y los transductores piroeléctricos. De estos últimos, el más utilizado, especialmente en FTIR, es el formado por sulfato de triglicina deuterado (DTGS).

Los detectores fotoconductores están basados en materiales semiconductores como el sulfuro de plomo o el telururo de cadmio-telururo de mercurio. En la zona del IR próximo también se pueden emplear los semiconductores de silicio. Son detectores con bajo nivel de ruido y un tiempo de respuesta corto.

Tipos de Instrumentos IR

• Instrumentos Dispersivos: Estos instrumentos emplean monocromadores, usualmente redes de difracción, para dispersar la radiación y medir secuencialmente la transmitancia a cada longitud de onda. Sin embargo, a diferencia de como ocurre en la técnica de absorción molecular UV-Visible, el monocromador se ubica tras la muestra, para evitar que lleguen al detector las radiaciones que pueda emitir la propia muestra. Son instrumentos de haz doble que miden, de forma separada, la radiación que atraviesa la muestra y la procedente de una celda de referencia. Además, requieren de múltiples barridos para minimizar la relación señal/ruido que, debido a la menor sensibilidad de los detectores IR, es elevada. Esto supone unos tiempos de análisis lentos y limita sus aplicaciones a la región del IR cercano, así que en la práctica casi la totalidad de los equipos utilizados son los FTIR.
• Instrumentos FTIR: Los instrumentos de transformada de Fourier son equipos no dispersivos que detectan y miden todas las longitudes de onda de manera simultánea. Para ello, emplean dispositivos moduladores de la radiación, siendo el interferómetro de Michelson el más empleado para este fin. El interferómetro de Michelson consiste en un divisor de haz y dos espejos, uno de ellos móvil, que produce variaciones en la intensidad del haz recombinado en función del desplazamiento del espejo móvil y que da lugar a un interferograma. Posteriormente, este interferograma es decodificado a través de la aplicación de transformadas de Fourier por el ordenador, requerido para la adquisición y tratamiento de los datos.
• Instrumentos No Dispersivos de Filtro: Son instrumentos sencillos y robustos que emplean filtros para seleccionar la longitud de onda de interés. Pueden venir equipados con varios filtros para seleccionar diferentes longitudes de onda, o bien con filtros variables que permiten barrer longitudes de onda en continuo dentro de un intervalo. Se trata, además, de equipos baratos, resistentes y de fácil mantenimiento, diseñados muchas veces como equipos portátiles. Su principal aplicación es el análisis cuantitativo de gases.

Características Analíticas y Aplicaciones IR

• Se puede aplicar a todo tipo de muestras (sólidas, líquidas y gaseosas).
• Es una técnica económica, rápida y de sencilla aplicación.
• Pese a presentar limitaciones debido a la absorción de la radiación IR por la molécula de agua, existe la posibilidad de procesar los datos a nivel informático para medir muestras en disolución acuosa.
• La manipulación y preparación de muestras es relativamente difícil debido a la limitación de los disolventes que se pueden utilizar (transparentes a la radiación IR). Los más empleados son el ciclohexano, el dioxano, el disulfuro de carbono, el tetracloruro de carbono y el tetracloroetileno.
• El paso óptico es difícil de controlar en el caso de muestras líquidas, lo que complica las aplicaciones cuantitativas de esta técnica.

Las regiones del espectro se relacionan con sus distintas aplicaciones cualitativas y cuantitativas:

• El IR cercano comprende aplicaciones a análisis cuantitativo de muestras gaseosas y materiales sólidos y líquidos.
• El IR medio permite el análisis cualitativo de gases, líquidos o sólidos puros; así como el análisis cuantitativo de mezclas (gases, líquidos o sólidos).
• El IR lejano se aplica al análisis cualitativo de especies inorgánicas.

Espectroscopia de Absorción Atómica (EAA)

Este tipo de espectroscopía está basada en los fenómenos de absorción, emisión o fluorescencia que se producen al irradiar partículas atómicas. Se emplean principalmente radiaciones del espectro ultravioleta y visible, aunque en algunos casos también se emplea radiación X. La emisión o absorción de rayos X comporta la excitación de los electrones más cercanos al núcleo y, por tanto, que no participan en enlaces. En consecuencia, los espectros atómicos de rayos X se producen con independencia del estado de combinación del elemento en la muestra. Por el contrario, la obtención de un espectro atómico en la región ultravioleta o visible exige la conversión del analito a partículas monoatómicas en fase gaseosa (átomos o iones), dado que en estas regiones la absorción o emisión requiere la excitación de los electrones más externos. El espectro atómico puro solo se consigue separando previamente el analito de todo lo demás a lo que esté unido, mediante la atomización de la muestra. La atomización es el proceso con el que los componentes de una molécula se convierten, por descomposición, en átomos gaseosos libres.

El espectro de absorción (o de emisión) de un elemento atomizado consiste en unas pocas líneas discretas; puesto que no hay moléculas o iones complejos, no existen estados cuánticos de vibración o de rotación, y por tanto no hay espectros de bandas. Las líneas del espectro aparecen a una serie de longitudes de onda características de cada elemento. La intensidad de la línea está directamente relacionada con la concentración del elemento en disolución. De esta manera, con el estudio del espectro se tiene una forma inequívoca de identificar un elemento (por la posición de sus líneas), así como una manera de cuantificarlo (por la intensidad de las líneas).

La espectroscopía de absorción atómica (EAA) consiste en la determinación de un analito previamente atomizado, mediante la medida de la absorción de radiación de una longitud de onda determinada. Esta radiación es absorbida selectivamente por átomos que tengan niveles energéticos cuya diferencia en energía corresponda en valor a la energía de los fotones incidentes. La cantidad de fotones absorbidos está determinada por la ley de Lambert-Beer, que se ha estudiado anteriormente y relaciona la absorbancia con la concentración de la especie absorbente.

Los átomos absorben aquellas radiaciones cuyas energías coinciden exactamente con las de sus transiciones electrónicas. Las transiciones que más se van a producir y a detectar son las correspondientes a la excitación del átomo desde el estado fundamental a uno de sus estados excitados. En un espectro estas transiciones dan lugar a las denominadas líneas de resonancia. Las líneas espectrales correspondientes a transiciones desde un estado excitado a otro estado excitado son generalmente tan débiles que no se detectan, debido al escaso número de átomos en estado excitado.

Por otra parte, la limitada anchura de las líneas crea un problema de medida: para que se cumpla la ley de Lambert-Beer es necesario que la anchura de banda de la fuente sea estrecha en comparación con la anchura del pico de absorción. Esto es un problema cuando se emplean fuentes continuas, ya que ni siquiera los monocromadores de mejor calidad ofrecen un ancho de banda tan estrecho. Por tanto, si se hacen medidas de absorción atómica usando estas fuentes, inevitablemente se obtendrían curvas de calibrado no lineales, y sensibilidades bajas. Este problema se resuelve empleando fuentes de radiación que emitan líneas de la misma longitud de onda que las empleadas por el analito para pasar al estado excitado: las fuentes discretas.

Instrumentación en Espectroscopia de Absorción Atómica

Un instrumento para absorción atómica tiene los siguientes componentes básicos: fuente de radiación, monocromador, detector, amplificador y sistema de procesamiento de datos. Además, como la muestra no recibe directamente la radiación para su absorción, sino que previamente tiene que ser atomizada, debe existir un sistema de atomización.

Sistema de Atomización

Existen dos métodos principales para llevar a cabo la atomización, esto es, la separación de los diferentes elementos que componen las moléculas en sus respectivos átomos. La técnica más popular y ampliamente utilizada es la atomización en llama, en la que el sistema está compuesto por una cámara de nebulización (o nebulizador) y un quemador.

De modo general, la muestra es aspirada por un capilar y conducida al nebulizador. Durante la aspiración, la muestra se mezcla con los diferentes gases de combustión (normalmente acetileno o dióxido de nitrógeno) y se hace impactar sobre un volumen geométricamente definido: la perla o esfera de impacto. Esto permite formar pequeñas gotas de la disolución que son mezcladas con el combustible (aire) y arrastradas hacia el quemador o mechero. En él, se producen los fenómenos de:

• Desolvatación: El disolvente es vaporizado produciéndose un aerosol molecular sólido finamente dividido.
• Vaporización: Las moléculas pasan al estado líquido y luego al gaseoso.
• Disociación: Las moléculas se disocian formando un gas atómico.

Además ocurren otros hechos, como la ionización, que ocurre cuando la temperatura es lo suficientemente alta o el elemento posee bajo potencial de ionización. Entonces, parte de los átomos del elemento pueden perder uno o más de sus electrones, ionizándose parcialmente. También se forman otras moléculas y átomos en la llama como resultado de las interacciones del gas combustible con el gas oxidante y con los distintos componentes de la muestra. Y por último, una fracción de las moléculas, átomos e iones pueden excitarse por el calor de la llama, produciéndose así espectros de emisión moleculares, atómicos e iónicos. Todos estos hechos pueden llegar a limitar la precisión de la técnica ya que no es deseable que ocurran.

Una llama es el resultado de una reacción exotérmica entre un gas combustible y un agente oxidante gaseoso. Debido a la naturaleza crítica de la etapa de atomización, es importante comprender las características de las llamas y las variables que afectan a dichas características. En la llama se pueden distinguir tres zonas: la zona interna o de combustión primaria, la zona intermedia o región interconal y la zona externa o de combustión secundaria.

El aspecto y el tamaño relativo de las regiones de la llama varían considerablemente con el tipo y la relación combustible-oxidante. Cada elemento presentará en la llama un perfil de absorbancia diferente, en función de reacciones secundarias que pudieran producirse según se encuentre en una zona de la llama o en otra. Por tanto, para el análisis de cada elemento se deberá utilizar la zona de la llama en la que su absorbancia sea máxima (usualmente la región interconal). El ajuste de la posición de la llama respecto a la rendija de entrada del monocromador es, por tanto, crítico.

Según el tipo de llama que se utilice, se emplean diferentes cabezales. Se construyen de titanio para que posean resistencia al calor y a la corrosión, siendo los más empleados los de 10 cm de ranura simple para la llama aire/acetileno, de 5 cm para la llama N₂O/acetileno y de 10 cm de ranura triple para disoluciones con alto contenido en sólidos. La altura de la llama sobre la cabeza del quemador se puede controlar mediante un ajuste del flujo de mezcla de combustible. El haz de luz pasará a través de la llama por el eje más largo del quemador y llegará al detector.

Generalmente, la elección de la mezcla de gases dependerá de la temperatura requerida para la disociación de los compuestos y de las características químicas del elemento que se va a determinar. La llama debe ser en lo posible transparente, es decir, no debe absorber radiación proveniente de la lámpara. Además, la llama debe poseer una alta eficiencia en la producción de átomos libres y debe evitar que ocurran reacciones del elemento que se va a determinar con productos de la combustión o con otros componentes de la muestra. La llama más habitual es la formada por aire/acetileno, debido a que ofrece para muchos elementos una temperatura y un medio adecuados para la atomización. La llama N₂O/acetileno permite la determinación de aquellos elementos que no se pueden determinar con la llama aire/acetileno, como Al, Si y Ti.

Otro método también empleado para atomizar la muestra es la cámara de grafito o atomización electrotérmica. Los atomizadores electrotérmicos, también conocidos como hornos de grafito, están formados por un tubo cilíndrico de 1 a 3 cm de longitud y de 3 a 8 mm de diámetro, sujeto por dos electrodos de grafito. Este tubo de grafito se encuentra alojado en un sistema que sella los extremos del tubo con unas ventanas ópticamente transparentes. El conjunto también permite el paso de un chorro continuo de gas inerte, que protege al grafito de la oxidación y elimina los productos gaseosos que aparecen durante la atomización. No obstante, cuando se lleva a cabo la medida, el flujo de gas interno cesa para maximizar el tiempo que los átomos del analito están en la zona de medida.

Fuente de Radiación

En espectroscopía de absorción atómica no pueden utilizarse fuentes de radiación continua. En esta técnica se usarán fuentes de radiación que emiten la línea espectral del elemento de interés. Por tanto se necesitará una lámpara distinta para cada elemento analizado, constituyendo un inconveniente de esta técnica. Las fuentes de radiación más comunes son las conocidas como lámparas de cátodo hueco. Consisten en un tubo de vidrio que contiene argón o helio a muy baja presión y dos electrodos. El ánodo suele ser de wolframio, y el cátodo, de forma cilíndrica, está construido con el metal que se va a determinar, o bien con un material soporte recubierto de una capa de este metal. Al aplicar una diferencia de potencial suficiente entre los dos electrodos tiene lugar la ionización del gas, la corriente circula y los iones emigran hacia los electrodos. Si el potencial es lo bastante grande, los cationes gaseosos adquieren la suficiente energía cinética para arrancar átomos metálicos de la superficie del cátodo. Algunos de estos átomos metálicos son excitados al chocar con los iones gaseosos, y al retornar a su estado fundamental emiten radiación, que será característica del metal en cuestión. Al apagar la lámpara, los átomos metálicos vaporizados tienden a depositarse sobre las paredes del cátodo o sobre las paredes de vidrio del tubo, minimizándose esta última posibilidad por el diseño del cátodo. No obstante, una fracción de los mismos se depositará en las paredes dejando de ser útiles para un nuevo ciclo.

Por ello la lámpara acaba gastándose, aunque tiene un tiempo de vida relativamente largo (500-1000 horas). El hecho de que los diferentes elementos tengan que ser determinados de uno en uno hace que la absorción atómica no sea una técnica efectiva para la identificación de los elementos presentes en una muestra. Solo es aplicable para análisis cuantitativo. Y normalmente para cada elemento se utiliza una lámpara.

Por otra parte, también se pueden emplear lámparas de descarga sin electrodos. Estas lámparas están constituidas por un tubo de cuarzo herméticamente cerrado que contiene un gas inerte, como el argón, a muy baja presión y una pequeña cantidad del metal para el cual se va a usar la lámpara. Para la activación se utiliza un campo intenso de radiofrecuencias o radiación de microondas. De esta forma se produce la ionización del gas, originándose iones que son acelerados hasta que adquieren la suficiente energía para excitar a los átomos del metal. Al volver a su estado fundamental, emitirán radiación. Estas lámparas son más duraderas y ofrecen mayor intensidad de emisión que las de cátodo hueco, pero solo se fabrican para elementos fácilmente volatilizables, como Se, Sb o Sn, son más caras y necesitan un mayor tiempo para estabilizarse.

Monocromador

Los instrumentos de absorción atómica deben ser capaces de proporcionar una anchura de banda lo suficientemente estrecha como para permitir separar la línea escogida para la medición de las otras líneas capaces de interferir o disminuir la sensibilidad del análisis. Para la mayor parte de los elementos para analizar, el requisito es fácil de conseguir, pues las diferentes líneas suelen estar bastante separadas. Esto hace que no sea necesario un monocromador de alta resolución, y en consecuencia, que no se encarezca el precio del aparato, siendo este uno de los factores que más ha contribuido a que la técnica sea muy utilizada en la práctica ordinaria del análisis.

Detector

Los detectores miden la intensidad de la radiación antes y después de la absorción por parte de la muestra. A partir de los valores obtenidos se calcula la radiación absorbida. El detector universalmente usado en absorción atómica es el tubo fotomultiplicador, ya que ningún otro sistema ofrece la misma sensibilidad en el margen de longitud de onda utilizada en esta técnica.

Características Analíticas y Aplicaciones EAA

Esta técnica posee las ventajas de alta especificidad, amplia aplicabilidad y excelente sensibilidad. Se considera entre las técnicas analíticas más selectivas. Por lo general, basta con unos pocos minutos para realizar el análisis, y el aparato es de manejo sencillo. Como inconvenientes de la técnica, cabe señalar que solo se pueden analizar elementos de uno en uno, y que existen diversos tipos de interferencias. Tampoco es aplicable al análisis cualitativo. La absorción atómica es una técnica capaz de detectar y determinar cuantitativamente la mayoría de los elementos químicos, por lo que sus campos de aplicación son variados. Se emplea en análisis de aguas, de suelos, bioquímica, toxicología, medicina, e industrias farmacéutica, alimentaria, petroquímica, metalúrgica, etc.

Generalmente se trabaja con las muestras en disolución, aunque puede hacerse el análisis directo de muestras sólidas si se utiliza la atomización electrotérmica. Este requisito de disolución de la muestra en los métodos espectroscópicos de llama tiene otro inconveniente; muchos materiales de interés (suelos, tejidos animales, plantas, derivados del petróleo y minerales) no son siempre solubles en los disolventes habituales, y con frecuencia requieren un tratamiento previo laborioso para obtener una disolución del analito. De hecho, las etapas de descomposición y disolución a menudo llevan más tiempo e introducen más errores que la propia medida espectroscópica.

Los atomizadores electrotérmicos eliminan este inconveniente, pues pueden trabajar con muestras sólidas, como ya se ha dicho. También presentan la ventaja de una elevada sensibilidad para volúmenes muy pequeños. No obstante, su precisión no es tan buena como cuando se utiliza una atomización por llama. Además, son métodos más lentos y el intervalo analítico es más pequeño. Por ello, la atomización electrotérmica se aplica solo cuando la atomización por llama resulta inadecuada. Por otro lado, esta técnica puede estar sujeta a diferentes tipos de interferencias:

• Interferencias Espectrales: Se producen cuando la línea de absorción de un analito se superpone o aparece próxima a la línea o banda de absorción de un interferente, de modo que su resolución por el monocromador resulta imposible.
• Interferencias Químicas: Son aquellas por las cuales el analito no se atomiza totalmente, sino que queda formando parte de algún compuesto químico, con la consiguiente disminución de la población de átomos libres. Pueden producirse por disociación incompleta de las moléculas que contienen el elemento a analizar o por formación de compuestos poco volátiles o termoestables con el mismo. Se pueden minimizar controlando las condiciones de trabajo.
• Interferencias por Ionización: Cuando la temperatura de atomización es muy alta o el elemento pierde fácilmente uno o más de sus electrones más exteriores ocurre la ionización. La ionización es indeseable debido a que las características espectroscópicas de un átomo y sus iones son diferentes. Depende tanto de la temperatura de atomización como del potencial de ionización del elemento en estudio: su incidencia es mayor según aumenta la temperatura y el potencial de ionización disminuye.
• Interferencias Físicas: Este tipo de interferencias se produce en la atomización por llama y están relacionadas con la efectividad con que la disolución es transportada hacia la misma. Son causadas por diferencias en las propiedades físicas de las disoluciones: viscosidad, tensión superficial o presión de vapor.