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TEMA 8. ESPECTROSCOPIA DE ABSORCIÓN MOLECULAR UV-VIS (ESPECTROFOTOMETRÍA UV-VIS). 8.2.-ABSORBANCIA. 8.1.- TRANSMITANCIA. Transmitancia: fracción de radiación incidente transmitida por la disolución. La absorbancia de una disolución aumenta a medida que aumenta la atenuación del haz.

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TEMA 8

ESPECTROSCOPIA DE ABSORCIÓN MOLECULAR UV-VIS

(ESPECTROFOTOMETRÍA UV-VIS)

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8.2.-ABSORBANCIA

8.1.- TRANSMITANCIA

Transmitancia: fracción de radiación incidente transmitida por la disolución.

La absorbancia de una disolución aumenta a medida que aumenta la atenuación del haz.

PT potencia del haz de radiación transmitida.

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Transmitancia: fracción de radiación que una sustancia deja pasar cuando la REM atraviesa la muestra.

T puede valer desde 0 hasta 1.

%T puede valer desde 0 hasta 100 %

Absorbancia: es la atenuación de la intensidad de la radiación cuando esta incide sobre una muestra. Es la cantidad de energía que la sustancia toma para pasar a un estado más excitado.

A aumenta a medida que aumenta la atenuación de la radiación.

Cuando no hay absorción de radiación Po= PT y entonces A=0, mientras que si se absorbe el 99% de la radiación, solo se transmite el 1%, la A=2

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8.3.- RELACIÓN ENTRE ABSORBANCIA Y CONCENTRACIÓN: LEY DE BEER

Ley de Lambert-Beer:muestra cómo la absorbancia es directamente proporcional a la longitud b de la trayectoria a través de la solución y a la concentración c del analito o especie absorbente.

a: cte de proporcionalidad llamada absortividad. (unidades L·cm-1·g-1, si c=g/L)

b: longitud del camino que recorre la radiación a través del medio absorbente.

c:concentración expresada en g/L (mg/L, ...)Cuando en la ecuación la concentración viene expresada en mol/L, la cte de proporcionalidad se denomina absortividad molar y se representa por (unidades L·cm-1·mol-1. )

  • Disoluciones que contienen más de una clase de especies absorbentes:
  • A = A1 + A2 + .... + An
  • Como A =  · b · c
  • A = 1 · b · c1 + 2 · b · c2 + …. +n · b · cn
  • Siendo 1, 2, …, n los componentes absorbentes.
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8.4.- LIMITACIONES DE APLICABILIDAD DE LA LEY DE BEER

La atenuación de una radiación es cuantitativamente

proporcional a ala concentración de la especie absorbente

La proporcionalidad directa entre absorbancia y concentración cuando b es cte presenta desviaciones:

A) Limitaciones reales de la ley

B) Limitaciones Químicas

C) Limitaciones Instrumentales

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HIn

H+ + In-

Color 1

Color 2

8.4.- LIMITACIONES DE APLICABILIDAD DE LA LEY DE BEER

  • Limitaciones reales de la ley
  • Disoluciones de concentración elevada (c > 0.01 M) dan malos resultados.
  • La absortividad a y la absortividad molar  dependen del índice de refracción de la muestra.

B) Limitaciones Químicas

Se produce cuando el analito se disocia, asocia o reacciona con el disolvente para dar productos que presentan propiedades de absorción diferentes de las del analito.

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8.4.- LIMITACIONES DE APLICABILIDAD DE LA LEY DE BEER

C) Limitaciones Instrumentales

El cumplimiento estricto de la Ley de Beer sólo se observa para radiaciones monocromáticas (radiación formada por una sola longitud de onda) y éstas en la práctica no se consiguen, ya que con los dispositivos disponibles (filtros, monocromadores) se obtienen una banda de longitudes de onda más o menos simétrica entorno a la deseada.

Otra desviación: Presencia de radiación parásita o dispersa.

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8.5.- INSTRUMENTACIÓN PARA ESPECTROSCOPIA DE ABSORCIÓN UV-VIS

FOTÓMETROS

*Instrumento sencillo utilizado para medir la absorbancia y que emplea filtros de absorción o interferencia para seleccionar la longitud de onda.

*Suelen usarse prácticamente en la región del Visible.

* Ventajas: Son sencillos, bastante económicos, robustos y facilidad en cuanto a mantenimiento. Pueden transportarse, lo que lo convierte en un aparato útil para realizar análisis espectroscópicos de campo.

* Inconvenientes:No puede utilizarse para obtener espectros de absorción.

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8.5.- INSTRUMENTACIÓN PARA ESPECTROSCOPIA DE ABSORCIÓN UV-VIS

ESPECTROFOTÓMETROS

* Instrumento empleado para medir la absorbancia que utiliza un selector monocromático para seleccionar la longitud de onda.

* Puede usarse en la región UV, Vis e IR.

* Pueden ser de un solo haz o de doble haz.

Diseños instrumentales para fotómetros y espectrofotómetros

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8.6.- ESPECIES ABSORBENTES

  • Absorción por compuestos orgánicos
  • Dos tipos de e- son responsables de que las moléculas absorban radiación UV-Vis:
  • e- compartidos que participan directamente en la formación de enlaces y que están asociados a más de un átomo.
  • e- externos no compartidos, localizados preferentemente entorno a átomos como O, S, N y halógenos.(e situados en orbitales no enlazantes n)

 a la que absorbe una molécula depende de la fuerza con que retiene a sus distintos e-.

Enlaces sencillos C-C o C-H: de la región del UV de vacío (<180 nm)

Enlaces dobles o triples: de la región del UV

Compuestos orgánicos que contienen S, Br y I:absorben en la región UV

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8.6.- ESPECIES ABSORBENTES

  • Absorción por compuestos orgánicos con grupos cromóforos

n orbitales no enlazantes presentes en compuestos con heteroatomos de O, S y halógenos.

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ETINILESTRADIOL (ETE)

LEVONORGESTREL (LEV)

GESTODENO (GTD)

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Tartracina (E-102)

A. Anaranjado (E-110)

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8.6.- ESPECIES ABSORBENTES

B) Absorción por compuestos inorgánicos

  • Los espectros presentan máximos de absorción anchos y poca estructura fina.
  • Excepción: iones de la serie de los lantánidos y actínidos. Los e- (4f y 5f) responsables de la absorción están apantallados de influencias externas por e- situados en orbitales de nº cuánticos elevados. Consecuencia: bandas de absorción estrechas y están relativamente poco afectadas por la naturaleza de las especies asociadas a ese ión y por el disolvente.
  • Iones y complejos de las 2 primeras series de transición: son coloreados al menos en alguno de sus estados de oxidación. La absorción de radiación Vis se debe a transiciones de e- entre orbitales d llenos y vacíos que difieren en energía a causa de los ligandos unidos a los iones metálicos. La diferencia de energía entre orbitales d depende del estado de oxidación del elemento, su posición en la Tabla periódica y la clase de ligando unido a ese ión.
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8.6.- ESPECIES ABSORBENTES

C) Absorción de transferencia de carga

-Complejo de transferencia de carga: consta de un grupo dador de e- unido a un aceptor de e-.

  • Cuando uno de estos compuestos absorbe radiación, se transfiere un e- del dador a un orbital localizado preferente en el aceptor.
  • El estado excitado es un producto de un proceso de oxidación /reducción.
  • Complejos inorgánicos y orgánicos.
  • Se caracteriza por tener absortividades molares mayores de las habituales (Max > 1000), circunstancia que conduce a una gran sensibilidad.
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8.7.- APLICACIONES

  • CARACTERÍSTICAS DE LOS MÉTODOS ESPECTROFOTOMÉTRICOS
  • Amplia aplicabilidad.
  • Elevada sensibilidad: los límites detección 10-4 a 10-5 M.
  • Selectividad de moderada a alta.
  • Buena exactitud: errores de concentración 1-5% o incluso menores.
  • Facilidad y comodidad en las medidas espectrofotométricas.
  • Se prestan a una fácil automatización.
  • CAMPO DE APLICACIÓN
  • Especies absorbentes: compuestos orgánicos que contengan grupos cromóforos y especies inorgánicas como son los metales de transición.
  • Especies no absorbentes: los analitos reaccionan con un reactivo para producir un compuesto absorbente.
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8.7.- APLICACIONES

APLICACIONES MEDIOAMBIENTALES

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8.7.- APLICACIONES

MEZCLAS DE ANALITOS

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8.7.- APLICACIONES

VALORACIONES FOTOMÉTRICAS Y ESPECTROFOTOMÉTRICAS

  • Las medidas espectrofotométricas son útiles para localizar puntos de equivalencia en valoraciones siempre que uno o más de los reactivos o productos absorban la radiación.
  • Curva fotométrica: representación de la absorbancia (corregida por la variación de volumen) en función del volumen de valorante.
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Valoradore fotométricos con fibras opticas
  • Son hebras finas de materiales como el vidrio, silice fundido o plástico. Su diametro oscila entre 0,05m y 0,6cm. Son muy utilizados en medicina.
  • La trasmisión de la luz se produce por reflexión interna, para que sea total se recubre la fibra con material de indice de refracción menor que el de la fibra.
  • También existen los sensores de fibra óptica(optrodos). Esto permite instrumentos para la medida in-situ.
  • Si queremos detectar la contaminación de la bahia de Cádiz. Tenemos una fuente de radiación que se trasmite traves de la fibra óptica, al final se encuentra un reactivo que va a reaccionar con el analito en cuestión, esta reacción va a provocar una variación de la radiación incidente, que se va a recoger a través de otra fibra óptica hasta el detector.
a a b c
Aλ= aλ. b. C

fuente

  • El espectrofotómetro convencional Un espectrofotómetro convencional enfoca la luz policromática de la fuente en un monocromador. Este tiene como componentes principales una ranura de entrada, un elemento que dispersa la luz en sus longitudes de onda componentes (en general una red de difracción), y una ranura de salida que permite seleccionar la longitud de onda deseada.
  • Esa luz “monocromática” atraviesa la muestra, y llega al detector. Las mediciones fotométricas se hacen en base a la relación entre la potencia de luz que alcanza al detector cuando está interpuesta la muestra (P) y cuando no lo está (P0) o cuando está interpuesto un “blanco”.

detector

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El espectrofotómetro de dispositivo de diodos
  • El espectrofotómetro de dispositivo de fotodiodos (diode array, de diodos fue introducido a mediados de los ’70. Utiliza una óptica invertida respecto del convencional: toda la luz de la fuente atraviesa la muestra, luego es dispersada en un monocromador que en lugar de una ranura de salida tiene en el plano focal un dispositivo que integra en un pequeño circuito varios cientos de detectores tipo fotodiodo de silicio. El número de elementos varía actualmente entre 64 y 4096, siendo los más comunes de 512 y 1024 elementos. 
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Cada elemento del dispositivo recibe luz de un rango particular de longitudes de onda, y un ordenador procesa los datos recibidos. Las principales ventajas del espectrofotómetro de dispositivo de fotodiodos son que para obtener un espectro no hace falta mover ningún elemento, y los espectros se obtienen en forma casi instantánea.

diodos

0.1nm de resolución

2 nm de resolución

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Resolución espectralPara nuestro propósito, nos concentraremos en los aspectos prácticos, y aquí lo más importante es saber qué resolución necesitamos para nuestro trabajo, y esa resolución está expresada en general como ancho espectral del instrumento (spectral bandwidth).
  • Como regla general, el ancho de media banda instrumental debe ser como máximo 1/10 del ancho de media banda espectral de la banda de absorción a medir. Dado que la mayoría de las moléculas en solución presentan en fase líquida bandas de absorción con anchos medios entre 20 y 40nm, un instrumento con “resolución” de 2nm es generalmente adecuado. A veces encontramos casos particulares (Ej.: cianocobalamina – vitamina B12) con bandas de anchos del orden de 10nm. En este caso, la cuantificación con un instrumento de 2nm daría un error por defecto del orden del 2-3%, mientras que con un equipo de 1nm de ancho de banda el error sería despreciable. 
  • En el caso de medición de gases o vapores, las interacciones son menores y por lo tanto las bandas de absorción también, por lo que en general se requieren instrumentos de alta resolución (0,1nm).
  • Hay dos parámetros que afectan directamente la resolución de un monocromador: la densidad de líneas de la red y la distancia focal.  La resolución es directamente proporcional a cada uno de estos parámetros. Sin embargo, al aumentar la densidad de líneas de la red aumenta la dispersión y disminuye la eficiencia reflectiva aparente, lo que se corrige aumentando el ancho de ranura (lo que disminuye la resolución). Aumentar la distancia focal también tiene su costo: el monocromador se hace más grande, disminuyen las tolerancias ópticas y mecánicas y las especificaciones para el alineamiento se hacen más estrictas.
  • Por supuesto también aumenta el precio.
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Avantes es la empresa líder, con la serie AvaSpec, en el diseño y fabricación  de espectrómetros miniaturizados con entrada por fibra óptica para aplicaciones en el UV, VIS, y NIR.Estos espectrómetros están basados en un diseño de óptica integrada, sin partes móviles, recogiendo la luz mediante fibra óptica , dispersándola por medio de una red de difracción , en un detector lineal CCD , CMOS, PDA ó Array de InGaAs. Proporcionan una resolución de hasta 0,04 nm dependiendo de la red de difracción y de la rendija de entrada seleccionada. En la serie AvaSpec 2048 el espectrómetro está basado en un monocromador simétrico del tipo Cerny-Turner, de 75 mm de distancia focal , con un detector lineal CCD de 2048 pixels conectado a una tarjeta electrónica con un convertidor A/D de 14 bits y una interfase USB/RS232. Incorpora un conector SMA que permite acoplar un amplia línea de fuentes de luz y sondas por fibra óptica , sensores químicos y otros accesorios.