Espectrofotómetro

El espectrofotómetro se emplea en muchos campos diferentes y se encuentra tanto en laboratorios científicos como en instalaciones de producción. En el entorno de producción, por ejemplo, se utilizan para el control de calidad de todo, desde la ropa hasta la emisión de luz cuando se producen LEDs.

Los laboratorios analíticos utilizan los espectrofotómetros para identificar y cuantificar muestras microscópicas que van desde la cinética, la coincidencia de colores, la calificación de gemas y minerales, la determinación del color de la tinta o pintura por parte de un químico de proceso. Como tal, el espectrómetro es un instrumento muy flexible con muchas aplicaciones diferentes.

📌 ¿Qué es un espectrofotómetro?

El espectrofotómetro es un instrumento óptico para medir la intensidad de la luz en relación con la longitud de onda. La energía electromagnética, recogida de la muestra, entra en el dispositivo a través de la abertura (línea amarilla) y es separada en sus longitudes de onda componentes por la rejilla holográfica.

En pocas palabras, la rejilla actúa para separar cada color de la luz blanca.   

La luz separada se enfoca entonces en un detector de arreglo CCD donde la intensidad de cada longitud de onda (o cada color si está en la región visible) se mide por un píxel del arreglo.

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A continuación, el CCD se lee en un ordenador y el resultado es un espectro que muestra la intensidad de cada longitud de onda de luz.

☘ ¿Cómo funciona un espectrofotómetro?

Para determinar con precisión un espectro para sustancias, una forma gaseosa de la sustancia debe ser sometida a la luz y se crea un espectro.

Por lo tanto, cuando las muestras se cargan en espectrómetros, la alta temperatura de la máquina vaporiza la pequeña muestra y la luz se refracta de acuerdo con la composición de la sustancia que se está probando.

En el caso de utilizar espectrómetros con fines astronómicos, las longitudes de onda y frecuencias entrantes del espacio se analizan de manera similar para determinar la composición de la materia celeste.

🔹 ¿Qué es la absorbancia en espectrofotómetro?

La absorbencia es una medida de la cantidad de luz absorbida por una muestra. También se conoce como densidad óptica, extinción o absorbancia decádica.

La propiedad se mide mediante espectroscopia, especialmente para el análisis cuantitativo. Las unidades de absorbancia típicas se denominan “unidades de absorbancia”, que tienen la abreviatura AU y son adimensional.

La absorbancia se calcula en base a la cantidad de luz reflejada o dispersa por una muestra o por la cantidad transmitida a través de una muestra.

Si toda la luz pasa a través de una muestra, no se absorbe ninguna, por lo que la absorbancia sería cero y la transmisión sería del 100%. Por otro lado, si no pasa luz a través de una muestra, la absorbancia es infinita y el porcentaje de transmisión es cero.

La ley Beer-Lambert se utiliza para calcular la absorbancia:

A = ebc

Donde A es absorbancia (sin unidades, A = log10 P0 / P)

e es la absorbencia molar con unidades de L mol-1 cm-1

b es la longitud del trayecto de la muestra, generalmente la longitud de una cubeta en centímetros

c es la concentración de un soluto en una solución, expresada en mol/L

😊 ¿Quién inventó el primer espectrofotómetro?

La invención del espectrofotómetro se le atribuye a Arnold J. Beckman, en 1940 junto con sus colegas, del National Technologies Laboratories, la compañía que Beckman había iniciado en 1935.

El equipo fue dirigido por Howard H. Cary. El espectrofotómetro se convirtió entonces en el mayor éxito de la empresa.

Antes de la invención del espectrómetro era proceso sumamente tedioso llevar a cabo análisis químicos. Estos, por lo general, se llevaba semanas para realizarlos y solo se alcanzaba el 25 de precision.   

 Pero en 1940, con la introducción del espectrofotómetro por Beckman y su equipo, se redujo significativamente el proceso al punto de solo requerirse unos cuantos minutos para el análisis.

Esta prueba ofreció una precisión del 99,99% en el análisis. Con esta herramienta se estableció el estándar en el análisis químico.

🔴 Tipos de espectrofotómetros

Los espectrofotómetros están disponibles en configuraciones de haz simple y doble haz. Un espectrofotómetro de haz simple utiliza un estándar de referencia para estandarizar o dejar en blanco el instrumento antes de tomar las medidas.

Un espectrofotómetro de doble haz divide el haz de luz en dos trayectos diferentes, uno de los cuales pasa a través de la muestra y el otro a través de un patrón de referencia.

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Los espectrofotómetros de doble haz miden la relación de intensidades de luz y, por lo tanto, no son tan sensibles a las fluctuaciones de la fuente de luz o del detector.

Sin embargo, los espectrofotómetros de haz simple suelen ser más compactos y tienen un mayor rango dinámico.

Otros tipos de espectrofotómetros son los espectrofotómetros de absorción atómica y los espectrofotómetros de fluorescencia.

Espectrofotómetro de doble haz (UV Visible)

Se utiliza un espectrofotómetro UV-Vis para determinar la absorción de la luz de una muestra y puede utilizarse como detector para HPLC.

Se coloca una muestra en el haz UV/VIS y se mide la absorbancia frente a la longitud de onda. Un espectrofotómetro de doble haz utiliza dos haces de luz: un haz de referencia y un haz de muestreo que atraviesa la muestra.

Algunos espectrofotómetros de doble haz tienen dos detectores que permiten medir los dos haces a la vez.

Espectrofotómetro infrarrojo

Un espectrofotómetro infrarrojo es un instrumento analítico utilizado para identificar materiales que incluyen polímeros orgánicos.

Los espectrofotómetros infrarrojos registran la cantidad relativa de energía en función de la longitud de onda/frecuencia de la radiación infrarroja cuando ésta pasa a través de una muestra.

Por lo tanto, las estructuras químicas de las diferentes muestras reflejarán las diferencias en el espectro de absorción de IR, lo que permitirá la identificación de una muestra.

A diferencia de un espectrómetro de dispersión, un espectrómetro FTIR o un espectrofotómetro FTIR se utiliza para obtener simultáneamente datos espectrales de una muestra.

Para ello, utiliza un interferómetro para recoger el interferograma, también conocido como formato de datos/señal en bruto, que puede ser traducido al espectro infrarrojo de la muestra por medio de un algoritmo de transformación de Fourier.

Como resultado, hay muchas ventajas, incluyendo una mayor relación señal/ruido, alta resolución, mayor rendimiento y un límite de longitud de onda corta.

Los espectrómetros FTIR se pueden utilizar en una variedad de industrias incluyendo la medioambiental, farmacéutica y petroquímica.

Espectrofotómetro de haz simple (UV Visible)

Se utiliza un espectrofotómetro UV-Vis para determinar la absorción de la luz de una muestra y puede utilizarse como detector para HPLC.

Se coloca una muestra en el haz UV/VIS y se mide la absorbancia frente a la longitud de onda. Un espectrofotómetro de haz simple utiliza un haz de luz que pasa a través de la muestra y la intensidad de la luz reflejada de una referencia se mide sin la muestra.

Espectrofotómetro

Los espectrofotómetros se utilizan para medir la concentración de una sustancia conocida en una solución. Lo hacen pasando una luz a través de la sustancia y midiendo la intensidad de la luz en función de la longitud de onda.

Se pueden adquirir espectrofotómetros de haz simple o doble. En un espectrofotómetro de haz simple, se utiliza un estándar de referencia para medir la intensidad de la luz antes y después de cargar la muestra.

En el caso de los espectrofotómetros de haz doble, el haz se divide en un haz que pasa a través del patrón y el otro a través de la muestra para comparar las intensidades.

Mientras que los espectrofotómetros de haz simple son típicamente menos costosos y tienen mayor sensibilidad, los espectrofotómetros de haz doble tienden a ser más estables y fáciles de usar.

Los espectrofotómetros son piezas importantes de equipo en laboratorios de química, física, bioquímica, clínica y de pruebas de materiales.

🍁 Componentes de un espectrofotómetro

Los componentes esenciales de la instrumentación del espectrofotómetro incluyen:

  • Una fuente de energía radiante estable y barata
  • Un monocromador, para romper la radiación policromática en longitudes de onda de componentes (o) bandas de longitudes de onda.
  • Recipientes de transporte (cubetas) para guardar la muestra
  • Un detector fotosensible y un sistema de lectura asociado

Fuentes de energía radiante

Los materiales que pueden ser estimulados a estados de alta energía por una descarga eléctrica de alto voltaje (o) por calentamiento eléctrico sirven como excelentes fuentes de energía radiante.

Fuentes de radiación ultravioleta: Las fuentes de radiación UV más utilizadas son la lámpara de hidrógeno y la lámpara de deuterio.

La lámpara de xenón también se puede utilizar para la radiación UV, pero la radiación producida no es tan estable como la lámpara de hidrógeno.

Fuentes de radiación visible: La fuente de radiación visible de mayor utilidad en la actualidad es la lámpara de filamento de tungsteno. Es barato y envía por correo electrónico radiación continua en el rango entre 350 y 2500 nm.

El “arco de carbono”, que proporciona una radiación visible más intensa, se utiliza en unos pocos instrumentos disponibles en el mercado.

Fuentes de radiación IR: “Nernst Glower” y “Global” son las fuentes más satisfactorias de radiación IR. Global es más estable que la flor más cercana.

Selectores de longitud de onda

Los selectores de longitud de onda son de dos tipos: filtros y monocromadores

Filtros: Los filtros de “gelatina” están hechos de una capa de gelatina, coloreada con colorantes orgánicos y sellada entre placas de vidrio.

Monocromadores: Un monocromador resuelve la radiación policromática en sus longitudes de onda individuales y aísla estas longitudes de onda en bandas muy estrechas. Los componentes esenciales de un monocromador son:

  • Deslizamiento de entrada – admite luz policromática de la fuente
  • Dispositivo de colimación-Colima la luz policromática sobre el dispositivo de dispersión.
  • Dispositivo de resolución de longitud de onda como un PRISM (o) un GRATING
  • Una lente de enfoque (o) un espejo
  • Un deslizamiento de salida permite que el haz monocromático se escape.

Los tipos de elementos de resolución son de vital importancia: prismas y rejillas.

Prisma:

Un prisma dispersa la luz policromática de la fuente en sus longitudes de onda constituyentes en virtud de su capacidad de reflejar diferentes longitudes de onda en diferente medida.

El grado de dispersión del prisma depende del ángulo óptico del prisma (normalmente 600) y del material del que está hecho.

Dos tipos de Prismas son usualmente empleados en instrumentos comerciales, el de 600 cornu prisma de cuarzo y 300 Littrow Prism.

Rejillas:

Las rejillas se utilizan a menudo en los monocromadores de los espectrofotómetros que operan en regiones ultravioletas, visibles e infrarrojas.

Contenedores de muestras

Los recipientes de muestras son también una de las partes de la instrumentación del espectrofotómetro.

Las muestras a estudiar en la región ultravioleta (o) visible son generalmente vidrios (o) soluciones y se colocan en células conocidas como “CUVETTES”.

Las cubetas destinadas a la región visible están hechas de vidrio ordinario (o) a veces de cuarzo. La mayoría de los estudios espectrofotométricos se realizan en soluciones, los disolventes asumen una importancia primordial.

El factor más importante en la elección del disolvente es que el disolvente no debe absorberse (ópticamente transparente) en la misma región que el soluto.

Dispositivos de detección

La mayoría de los detectores dependen del efecto fotoeléctrico. Por lo tanto, la corriente es proporcional a la intensidad de luz y a una medida de ella.

Requisitos importantes para un detector incluyen:

  • Alta sensibilidad para permitir la detección de bajos niveles de energía radiante
  • Tiempo de respuesta corto
  • Estabilidad a largo plazo
  • Una señal eléctrica que se amplifica fácilmente para un aparato de lectura típico.

Amplificación y lectura:

Los detectores de radiación generan señales electrónicas proporcionales a la luz transmitida. Estas señales necesitan ser traducidas a una forma fácil de interpretar.

Para ello es necesario utilizar amplificadores, potenciómetros, amperímetros y registradores potenciométricos.

🌟 Cuidados de un espectrofotómetro

El uso y mantenimiento apropiado de todo el equipo de laboratorio es necesario para la eficiencia y seguridad en los laboratorios.

Los espectrofotómetros son dispositivos caros. Algunos consejos importantes para la instalación y uso seguro de este equipo:

  • Utilice una fuente de alimentación eléctrica que cumpla con los estándares de la industria.
  • Coloque el espectrofotómetro en un ambiente limpio y lejos de otros dispositivos que causen vibración (como las centrífugas).
  • Asegúrese de que el mantenimiento rutinario sea realizado por un técnico capacitado y certificado. La inspección anual suele incluir la inspección de la zona donde se instala el dispositivo, así como la instalación eléctrica para garantizar la seguridad del usuario.
  • Comprobar la estructura general del dispositivo – botones de comprobación, interruptores de control
  • Confirmar que los componentes mecánicos están en buenas condiciones.
  • Asegúrese de que los accesorios, los dispositivos de cable y los terminales estén limpios e intactos.
  • Comprobar los componentes eléctricos para evitar el sobrecalentamiento
  • Tenga cuidado de limpiar los derrames cuidadosamente y utilizando los procedimientos correctos. Las cubetas deben enjuagarse con agua destilada y con material de limpieza especial, si así lo recomienda el fabricante.

Estos son sólo algunos consejos básicos. La mejor manera de asegurar el mantenimiento adecuado de todos sus instrumentos es depender de su proveedor de equipos de laboratorio.

Un distribuidor confiable ofrecerá soluciones oportunas para garantizar la seguridad del laboratorio y reducir el tiempo de inactividad de los equipos.

📌 Precio de un espectrofotómetro

Depende de lo que estés buscando. Puedes hacer que sea tan caro como quieras. Una de segunda mano que todavía funciona puede costar varios 100 dólares (el más barato) y el tipo más caro le costará al menos 1.000.000 si no más. Además, es necesario acoplarlo con un instrumento de separación como un GC o HPLC o LC.

Antes debes responderte estas preguntas, ¿qué quiere determinar y cuán preciso debe ser en la separación en masa y en qué tipo de muestras?