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Espectrometría de absorción


La espectrometría de absorción se refiere a una variedad de técnicas que emplean la interacción de la radiación electromagnética con la materia. En la espectrometría de absorción, se compara la intensidad de un haz de luz medida antes y después de la interacción con una muestra. Las palabras transmisión y remisión se refieren a la dirección de viaje de los haces de luz medidos antes y después de la absorción. Las descripciones experimentales por lo general asumen que hay una única dirección de incidencia de la luz sobre la muestra, y que un plano perpendicular a esta dirección pasa por la muestra.

En la transmisión, la luz es dispersada desde la muestra hacia un detector en el lado opuesto de la muestra. En la remisión, la luz es dispersada desde la muestra hacia un detector en el mismo lado de la muestra.

La radiación remitida puede estar formada por dos clases de radiación: reflexión especular (cuando el ángulo de reflexión es igual al ángulo del frecuencia) y reflexión difusa (en todos los demás ángulos).

Otro descriptor asociado con la espectrometría de absorción es la variedad de longitudes de onda de radiación que se usa en el haz de luz incidente. Por ejemplo, se habla de espectrometría infrarroja o de microondas, que son a su vez ejemplos de espectrometría de absorción. Por otra parte, también se encuentran referencias a otros rangos de longitud de onda, como la espectrometría de rayos X, que por lo general denotan una espectrometría de emisión. Este artículo trata principalmente de la espectrometría ultravioleta-visible.

La espectrometría UV-visible se refiere a técnicas donde se mide cuánta luz de una longitud de onda particular (color) es absorbida por una muestra. Ya que el color a menudo puede correlacionarse con la presencia y/o la estructura de una sustancia química particular, y ya que la absorbancia es una medida fácil y barata de hacer, la espectrometría de absorbancia se usa ampliamente en cálculos cualitativos, cuantitativos y estructurales. Por ejemplo, el ADN absorbe luz en el rango ultravioleta (por eso la luz del sol es peligrosa), y por tanto la cantidad de ADN en una muestra puede ser determinarse midiendo la absorbancia de la luz ultravioleta.

La relación entre el color visible y el color de absorbancia es complicada; una muestra que parece roja no absorbe en el rojo, sino que absorbe en otras longitudes de onda (colores) de modo que la luz que pasa por la muestra se enriquece en rojo.

La palabra "color" se usa para indicar que la espectrometría de absorbancia no sólo trata con la luz en rango visible (fotones con una longitud de onda de aproximadamente 400 a 700 nanómetros), sino también con longitudes de onda que están fuera del rango de la visión humana (infrarrojo, ultravioleta, rayos X). Sin embargo, los principios son bastante similares tanto para la luz visible como para la no visible.



Técnicamente, la espectrometría de absorción se basa en la absorción de fotones por una o más sustancias presentes en una muestra (que puede ser un sólido, líquido, o gas), y la promoción subsiguiente del electrón (o electrones) desde un nivel de energía a otro en esa sustancia. La muestra puede ser una sustancia pura, homogénea o una mezcla compleja. La longitud de onda en la cual el fotón incidente se absorbe es determinada por la diferencia en los niveles de energía disponibles de las diferentes sustancias presentes en la muestra. Esta es la selectividad de la espectrometría de absorbancia, la capacidad de generar fuentes de fotones (luz) que son absorbidas sólo por algunos componentes en una muestra. Típicamente, los rayos X se usan para revelar la composición química, mientras que las longitudes de onda cercanas al ultravioleta y el infrarrojo se usa para distinguir las configuraciones de diversos isómeros detalladamente. En la espectroscopia de absorción, los fotones absorbidos no son emitidos de nuevo (como en la fluorescencia) sino que la energía que se transfiere al compuesto químico en la absorbancia de un fotón se pierde por medios no radiantes, como la transferencia de energía por calor a otras moléculas.

Aunque la intensidad relativa de las líneas de absorción no varía con la concentración, a cualquier longitud de onda dada la absorbancia medida (− log (I / I0)) es proporcional a la concentración molar de las especies que absorben y el grosor de la muestra por la que la luz pasa. Esto se conoce como ley de Beer-Lambert. El gráfico de la cantidad de radiación absorbida respecto a la longitud de onda para un compuesto particular se conoce como espectro de absorción. El espectro de absorción normalizado es característico para cada compuesto particular, no cambia con la concentración y es como la "huella digital" química del compuesto. En las longitudes de onda correspondientes a los niveles de energía resonantes de la muestra, se absorben algunos de los fotones incidentes, lo que provoca una caída en la intensidad de transmisión medida y una pendiente en el espectro. El espectro de absorción puede medirse usando un espectrómetro. Conociendo la forma del espectro, la longitud de ruta óptica y la cantidad de radiación absorbida, se puede determinar la estructura y la concentración del compuesto.

Los espectros de absorción de luz visible pueden tomarse en cualquier material que sea visiblemente claro. El poliestireno, el cuarzo, y las células de borosilicato (Pyrex), son los materiales más usados. La luz ultravioleta es absorbida por la mayor parte de cristales y plásticos, por lo que se usan células de cuarzo. El Si-O presente en el cristal y el cuarzo, y el C-C en el plástico absorben la luz infrarroja. Los espectros de absorción infrarrojos se realizan generalmente con una delgada película de la muestra sostenida entre platos de cloruro de sodio. Otros métodos implican suspender el compuesto en una sustancia que no absorba en la región de estudio. Las emulsiones de aceite mineral (Nujol) y los cristales de bromuro de potasio suelen ser los más comunes. El NaCl y KBr, al ser iónicos, no absorben el infrarrojo de forma significativa, y el Nujol tiene un espectro infrarrojo relativamente sencillo.

Espectrometría como instrumento analítico


A menudo es de interés conocer no sólo la composición química de una muestra dada, sino también las concentraciones relativas de varios compuestos de una mezcla. Para hacer esto debe construirse una escala, o curva de calibración, usando varias concentraciones conocidas para cada compuesto de interés. El gráfico que resulta de la concentración respecto a la absorbancia se hace a mano o usando un software de ajuste de curvas apropiado, que usa una fórmula matemática para determinar la concentración en la muestra. La repetición de este proceso para cada compuesto en una muestra da un modelo de varios espectros de absorción que en conjunto reproducen la absorción observada. De esta manera es posible, por ejemplo, medir la composición química de los cometas sin tener muestras de ellos en la Tierra.

Un ejemplo simple: un cianuro estándar a 200 partes por millón da una absorbancia con un valor arbitrario de 1540. Una muestra desconocida da un valor de 834. Ya que esta es una relación lineal y pasa por el origen, el valor desconocido se calcula fácilmente como 108 partes por millón. Con este método de proporción no es necesario conocer los valores de los coeficientes gobernantes, o cromóforos, o la longitud de célula experimental.

En la práctica, el uso de una curva de calibración, más que un solo punto de comparación, reduce la incertidumbre en la medida final por exclusión de la interferencia aleatoria (ruido) en la preparación de los estándares.