Espectrofotómetros: definición, usos y partes
La luz interactúa con la materia
La luz es algo que no existe por sí mismo porque está en constante interacción con otros materiales. La luz se puede reflejar, absorber o transmitir a medida que se mueve a través de un material sin ser absorbida. Todos los colores que vemos provienen de la luz que se refleja en varios materiales, que está dentro del rango de longitud de onda de la luz visible. Este rango de longitud de onda está entre 380 y 740 nanómetros, en el medio del espectro electromagnético o EM. El ”color” negro absorbe todas las longitudes de onda de la luz y no refleja ninguna, mientras que el blanco refleja todas las longitudes de onda y no absorbe ninguna. En los bordes del espectro EM se encuentran la luz infrarroja, que tiene longitudes de onda más largas que la luz visual, y la luz ultravioleta, que tiene longitudes de onda más cortas.
¿Qué es un espectrofotómetro?
Un espectrofotómetro es un instrumento que mide la transmisión o absorción de luz a través de una sustancia de muestra. Obtener información de este instrumento sobre la cantidad de luz que atraviesa una muestra o es absorbida por ella puede ayudar a identificar la presencia de una sustancia en la muestra o la concentración de una sustancia en la muestra. Para usar un espectrofotómetro, el operador hace brillar un haz de luz en un prisma o monocromador. Este monocromador luego divide la luz en sus longitudes de onda componentes, y el operador elige una longitud de onda particular para pasar a través de una muestra que se mantiene en una cubeta o portamuestras. Después de que la luz pasa a través de esta muestra, es leída e interpretada por una pantalla digital, o pantalla de salida.
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Ley de Beer
El uso de un espectrofotómetro se basa en la Ley de Beer. La ley de Beer se expresa mediante esta ecuación:
A = Ebc
Dónde:
A = Absorción (sin unidades)
E = Epsilon, o absortividad molar, o coeficiente de extinción con unidades L mol -1
b = La longitud del camino de la muestra, o el ancho de la cubeta, en centímetros (cm)
c = concentración del compuesto en solución, en mol/L
Aquí, la absorción es directamente proporcional a la longitud del camino de la muestra o el ancho de la cubeta y también es directamente proporcional a la concentración de la muestra.
Para usar la Ley de Beer para determinar la concentración de una muestra, se prepara un gráfico usando soluciones estándar conocidas y luego la lectura de la muestra se coloca en este gráfico para determinar su concentración. Este método, sin embargo, asume una relación lineal entre absorción y concentración. Esto solo es válido para soluciones lo suficientemente diluidas o en el rango de dilución de la muestra. La lectura que se obtiene del espectrofotómetro es la Absorción, que luego se usa en la ecuación para determinar la concentración de la muestra, de la siguiente manera:
do = La/Mib
Epsilon, o E, se obtiene de otra información conocida.
Si bien algunos tipos de espectrofotómetros más modernos pueden funcionar de manera algo diferente a la aplicación directa de la Ley de Beer junto con un gráfico, la Ley de Beer sigue siendo el principio básico detrás de los espectrofotómetros.
Partes de un espectrofotómetro
Las partes del espectrofotómetro se unen para enviar una longitud de onda de luz elegida a través de una muestra de concentración desconocida. La longitud de onda que se elija dependerá de la muestra que se analice. Cuantas más moléculas de una sustancia determinada en la muestra absorban luz a una cierta longitud de onda, mayor será la concentración de esa sustancia en la muestra.
Para comenzar a operar el espectrofotómetro, el usuario debe asegurarse de configurar la longitud de onda y también configurar el “blanco”. Esta es una configuración que tiene en cuenta una cubeta llena con un líquido similar al que contiene la muestra, y su propósito es garantizar que la absorción de la cubeta y el líquido en sí no se sume a la absorción de la muestra solamente.
Fuente de luz
Hay dos fuentes de luz en un espectrofotómetro, que son la lámpara de tungsteno y la lámpara de deuterio o hidrógeno. La lámpara de tungsteno genera luz visible y las otras dos lámparas dan luz en el rango ultravioleta. La luz elegida será policromática, o compuesta por un rango de longitudes de onda. Esta luz se refleja y condensa mediante un espejo y una lente, y luego pasa al monocromador.
Monocromador
El monocromador hace exactamente lo que dice su nombre; es decir, produce luz de una sola longitud de onda. Esta es la longitud de onda elegida que se establece al comienzo del análisis de la muestra. Esto se hace con un prisma o una rejilla, dependiendo de la longitud de onda deseada.
Taza decorativa
La cubeta que contiene la muestra es transparente y está hecha de vidrio, sílice, plástico o cuarzo. El operador debe tener cuidado de que la cubeta esté libre de huellas dactilares u otros aceites antes de insertarla en el espectrofotómetro. El plástico y el vidrio no se pueden usar para ninguna longitud de onda elegida que esté en la región ultravioleta, pero está bien para longitudes de onda en el rango visible. Para longitudes de onda muy cortas de menos de 200 nm, incluso el oxígeno absorbe esta luz. En ese caso, la cubeta debe ser evacuada de oxígeno. La mayoría de las cubetas contienen entre uno y tres ml de solución.
Pantalla digital
Para dar una visualización digital de la absorción, se utiliza una fotocélula para convertir la luz que pasa a través de la muestra en energía eléctrica. Esto luego se amplifica y se registra como la lectura de absorción.
Aplicaciones de un espectrofotómetro
Hay varios tipos diferentes de espectrofotómetros, cada uno diseñado para aplicaciones específicas. Lo que hemos presentado hasta ahora es el espectrofotómetro UV/Visible, pero los principios son similares para todos los tipos. También hay espectrofotómetros de absorción atómica que descomponen la muestra en iones y espectrofotómetros de infrarrojo cercano que pueden proporcionar información sobre el contenido nutricional de los alimentos. Otras aplicaciones incluyen:
- Analizar la estructura de un compuesto orgánico.
- Determinación del peso molecular de un compuesto
- Asegurar la consistencia del color de un producto
- Control de calidad de productos farmacéuticos.
- Evaluación de la efectividad de los esfuerzos de remediación ambiental
- Determinación de la concentración de una sustancia en una muestra
Hay muchas más aplicaciones del espectrofotómetro, ya que se utiliza en investigación de laboratorio, medicina, fabricación y otros esfuerzos.
Resumen de la lección
Un espectrofotómetro es un instrumento que mide la absorción de luz a través de una sustancia de muestra. Los espectrofotómetros tienen muchas aplicaciones en investigación, medicina y fabricación. Para operar un espectrofotómetro, el operador transmite un haz de luz desde una fuente a través de sus diversas partes, que son:
- El monocromador: divide la luz en sus componentes, produciendo luz de una sola longitud de onda.
- La cubeta: este es el portamuestras, que está hecho de vidrio transparente, plástico o cuarzo.
- La pantalla digital – Esta es la pantalla de salida que da la lectura de absorción
El espectrofotómetro se basa en la Ley de Beer, que se expresa mediante:
A = Ebc
Dónde:
A = Absorción (sin unidades)
E = Epsilon o absortividad molar con unidades L mol -1
b = Longitud del camino de la muestra en cm
c = concentración del compuesto en solución, en mol/L
A partir de la lectura de absorción, se puede calcular la concentración, asumiendo que se conoce Epsilon.