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Libro de Espectroscopía UV Visible Research · August 2016 DOI: 10.13140/RG.2.2.16927.15528

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INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO ”SANTIAGO MARIÑO”, IUPSM Extensión Mérida

Coordinación de Ingeniería Química y Agronomía

METODOS ESPECTROSCÓPICOS UV VISIBLE PARA ANÁLISIS MOLECULAR Y ELEMENTAL

Prof. Dr. F. Millán 1

INDICE Bloque I: Radiación Electromagnética e Interacción con la Materia………3 Bloque II: Métodos de Calibración en espectroscopia UV Visible……… 18 Bloque III: Espectrofotometría Molecular UV Visible…………………….… 57 Bloque IV: Espectroscopia atómica UV Visible……………………….………. 131

2

INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO SANTIAGO MARIÑO Coordinación de Ingeniería Química y Agronomía

Prof. F. Millán

Curso de Análisis instrumental Bloque I: Radiación Electromagnética e interacción con la materia Introducción El análisis espectroquímico se basa en la naturaleza selectiva de las interacciones de la radiación electromagnética con la materia, así como en la cualificación y cuantificación de estas interacciones. Se sabe que la materia está constituida por átomos y moléculas y cada una de estas entidades posee una energía por las componentes rotacionales, vibracionales y electrónica según:

ET  Ee  Evib  Erot Las energías vibracional y rotacional son propias de las moléculas ya que los átomos neutros y iones no pueden ni vibrar ni rotar por lo que su energía se concentra sólo en los electrones. Según los postulados de la mecánica cuántica, estas energías están cuantizadas por lo que cada especie puede contener sólo un set definido de niveles energéticos, siendo el más poblado el de menor energía. De esta manera, la radiación electromagnética puede interaccionar con la materia y modificar los contenidos energéticos dependiendo de las posibilidades cuantizadas de la especie respectiva. De esta manera, la especie puede absorber un fotón para incrementar su contenido energético siempre y cuando la energía del fotón sea equivalente a la diferencia de energía entre los estados energéticos involucrados Por otro lado, una especie química puede incrementar su contenido energético por la absorción de cierta cantidad de energía térmica, la cual es luego emitida bajo la forma de un cuanto de luz, cuya energía es equivalente a la diferencia de energía entre los estados energéticos involucrados. Por último, la absorción de un fotón de energía apropiada conlleva a un incremento energético el cual es reemitido bajo la forma de luminiscencia cuya longitud de onda puede ser o no igual a la longitud de onda del fotón absorbido originalmente. Otro tipo de interacción de la radiación electromagnética con la materia, pero que no involucra transiciones entre estados cuantizados es la dispersión la cual es una difusión polidireccional debido a un choque con partículas de tamaño menor o mayor que la longitud de onda de a radiación. En el primero de los casos se produce una dispersión denominada Dispersión Rayleigh y en el segundo caso se produce una dispersión conocida como Efecto Tyndall. 3

Características de la radiación electromagnética Se define la Radiación Electromagnética “REM” como un campo eléctrico y campo magnético oscilantes y perpendiculares entre sí que se desplazan en línea recta una velocidad constante que varía según el medio por donde se propaga. En la Figura 1 se muestra una representación física de la REM

 E

 H Figura 1.- Representación física de la radiación electromagnética El campo eléctrico es el responsable de los fenómenos de interés en espectroscopia como lo son la transmisión, la reflexión, la refracción y la absorción de la radiación por parte de un medio químico. En la Figura 2 se muestra una representación bidimensional de la componente eléctrica de la onda. La abscisa del gráfico es tiempo cuando consideramos que la onda pasa por un punto fijo en el espacio o puede ser distancia cuando el tiempo es constante.

Figura 2.- Representación bidimensional del vector eléctrico de la onda electromagnética. Una onda electromagnética como la mostrada en la Figura 2 puede ser representada por una función sinusoidal del tipo:

 2  x  E  A  sen  t    T  v  donde E es el vector campo eléctrico, A representa la Amplitud de la onda la cual es la magnitud del vector E en el máximo de la onda. T representa el Período de la onda el cual es el tiempo en segundos 4

necesarios para el paso máximos sucesivos por un punto fijo. t representa el tiempo, x es la distancia de propagación a lo largo del eje x y v es la velocidad de propagación. Si se tienen varias ondas con la misma A y el mismo T, cada una puede tener un valor de E en un punto dado. En este caso, la ecuación anterior se transforma en:

 2  x   E  A  sen  t       T  v  donde es el ángulo de fase (o desfase) entre dos ondas. Otros parámetros ondulatorios importantes en la descripción de una onda son la Longitud de Onda, , y la Frecuencia,  La primera es la distancia que separa dos máximos consecutivos o de manera más general la distancia que separa dos puntos que están en la misma fase, sus unidades son unidades de distancia (Å, nm, m) y la segunda es la frecuencia de la radiación la cual es el número de oscilaciones por segundo y su unidad es el Hz (Hertz) o s-1. La longitud de onda es igual al producto de la velocidad de propagación y el período y la frecuencia es igual al inverso del período.



  v T

  T 1 La velocidad de propagación de la radiación en el vacío es constante e igual a 3 x 1010 cm x s-1 (a esta velocidad se denota por la letra “c” y se le conoce como velocidad de la luz). Sin embargo esta velocidad es dependiente del tipo de medio por donde se propaga la radiación m m  ciclos v        ciclo s  s



Cuando la luz pasa por un medio distinto al vacío cambia su velocidad pero a costa de un cambio en la longitud de a onda ya que su frecuencia permanece constante. La relación entre la velocidad de la luz en el vacío y la velocidad en el medio de propagación se le denomina “Índice de refracción,  ”

c v

  para la propagación en el vacío, el índice de refracción es igual a 1,000 debido a que vi  c La longitud de la onda y su frecuencia están relacionadas con la velocidad de la luz y el índice de refracción del medio por la expresión:

5

  

 v



En la Figura 3 se muestra un esquema del paso de una radiación de 500 nm de longitud de onda y 6 x 1014 Hz de frecuencia del aire al vidrio y nuevamente al aire. La frecuencia de la radiación es constante para cada medio, sólo la velocidad y la longitud de la onda cambian de un medio a otro.

Figura 3.- Cambio de la longitud de la onda al pasar del aire al vidrio y nuevamente al aire Por último, la radiación electromagnética presenta otras propiedades no menos importantes como lo son la “Potencia, P” la cual es la energía trasmitida por superficie y por segundo, la “Intensidad, I “, que es la Potencia por unidad de ángulo sólido. _

El número de onda, más que una propiedad de la radiación electromagnética es un concepto que se utiliza para caracterizar a una onda en particular y se define como el inverso de la longitud de onda en cm. _



1      cm  v

Evidencias experimentales han demostrado que la radiación electromagnética posee una naturaleza dual, el fenómeno de difracción pone en evidencia la naturaleza ondulatoria de la radiación mientras que el efecto fotoeléctrico pone en evidencia la naturaleza material de la misma. La Teoría de Planck establece entonces a la radiación electromagnética como partículas que tienen una onda y una energía particulares asociadas y a estas partículas de luz se les ha denominado “Fotones” La ley de Planck establece que la energía E asociada a un fotón particular depende de manera directamente proporcional a su frecuencia e inversamente proporcional a su longitud de onda: E  h   h 

c



donde E es la energía del fotón, expresada en Joules, h es la constante de Planck (6,625 x 10-34 J x s), la frecuencia  está expresada en Hz, la longitud de la onda en m y la velocidad de la luz c expresada en m s-1. De la expresión de Panck se deduce que la energía de la onda varía inversamente proporcional con la longitud de la onda, es decir que una radiación de longitud de onda corta tiene asociada una energía más elevada que otra radiación que posee una longitud de onda más larga. 6

Unidades para medir la longitud de la onda La longitud de la onda se expresa en diversas unidades de longitud dependiendo de la región del espectro electromagnético. En el caso de la región comprendida desde los rayos gama hasta el ultravioleta lejano se usa el angstrom, Å, hasta el rojo en el espectro visible se usa igualmente el nanómetro. La región infrarroja es expresa mejor en micrómetros hasta el infrarrojo lejano y las microondas donde se puede usar el milímetro. Las ondas hertzianas se describen mejor en términos de centímetros e inclusive metros. 1m  10 2 cm  103 mm  10 6 m 1cm  10 2 m  10mm  10 4 m 1mm  10 3 m  10 1 cm  103 m  10 6 nm 1m  10 6 m  10 3 mm  103 nm 0

1nm  10 9 m  10 6 mm  10 7 cm  10 1  0

1   10 10 m  10 7 mm  10 8 cm  0,1nm Dominios del espectro de la radiación electromagnética En la Figura 2 se muestran los diferentes dominios del espectro electromagnético los cuales se definen en función del tipo de interacción de la radiación con la materia. El mismo se extiende desde los rayos cósmicos de gran energía hasta la región de las ondas hertzianas de muy baja energía, pasando por los rayos X, la radiación ultravioleta, visible e infrarroja. Espectro de la radiación electromagnética

4

0

10 2 

10 

Rayos cósmicos

1010 m 0

1

Rayos gamma

Rayos X

108 m 10m

106 m 1

Rayos UV

0,350

10 3 m 1mm

Rayos IR

Visible

0

350nm

Cambios electrónicos

101 m

MO

102 m

Ondas Hertzianas Radio, TV

0,800 800nm Cambios vibracionales

Espectroscopia Espectroscopia infrarroja uv - visible

Figura 2.- Diferentes dominios del espectro electromagnético Estas zonas interactúan de manera diferente con la materia dependiendo de su energía. La zona de la radiación ultravioleta y visible (190 – 800 nm) interactúa con los electrones de valencia de 7

átomos y moléculas, mientras que los rayos X interactúan con los electrones internos de los átomos. Por otro lado, la radiación infrarroja (800 nm – 1 mm) interactúa con las energías vibratorias de las moléculas y las microondas con la energía rotatoria. Sólo las longitudes de onda asociadas a la región visible pueden afectar el ojo humano, produciendo la percepción del color. A esta región se le da el nombre común de “luz”, aunque en una definición más general, el término luz se aplica a aquel rango del espectro electromagnético que se puede manejar con lentes y espejos y por esto también se puede encontrar algunas veces el término región óptica. La región visible del espectro comprende un rango de longitudes de onda que va desde los 350 nm (violeta) hasta los 800 nm (rojo). En la Tabla 1 se muestran los diferentes subrangos de  y su color respectivo en el espectro visible. Las regiones ultravioleta (uv) e infrarroja (IR) caen a ambos lados de la región visible. La primera comprende un rango de longitudes de onda que va desde los 350 nm hasta 10 nm sin embargo, el rango útil desde el punto de vista del análisis químico puede ir hasta 190 nm solamente. De igual manera, la región infrarroja comprende un rango de longitudes de onda que va desde los 800 nm y 106 nm o sea 1 mm. Tabla 1.- Rangos de longitudes de onda correspondientes a los diferentes colores del espectro visible. color Rango de nm 380 - 465 Violeta 465 - 482 Azul 482 – 498 Azul verdoso 498 - 530 Verde 530 - 576 Verde amarillento 576 - 580 Amarillo 580 – 587 Amarillo naranja 587 - 597 Naranja 597 - 617 Naranja rojizo 617 - 780 Rojo Las regiones de los rayos X (RX) y rayos gama, () están asociada a longitudes de onda menores de 10 nm (1 Å) y por el otro extremo del espectro electromagnético, las microondas y ondas de radio (ondas Hertzianas) están asociadas a longitudes de onda mayores a 0,1 cm (1 mm). Según la teoría de Planck, la radiación electromagnética tiene naturaleza dual onda – partícula, es decir que la misma está compuesta por partículas llamadas FOTONES los cuales tienen una onda y una energía asociadas. Esa energía varía inversamente proporcional con la longitud de onda de la radiación según la expresión:

8

E  h  h

c



1

 

donde h es la constante de Planck y c es la velocidad de la luz y  es el índice de refracción del medio en cuestión. Para el vacío  vale 1,000. Los valores de la constante de Planck y la equivalencia entre ergios y Joules están dados por las relaciones siguientes: h  6,62  10 27 erg  s h  6,62  10 34 J  s 1erg  1g  cm 2  s 2  10 7 J

Siendo   1 en el vacío la ley de Planck toma la forma: E  h  h

c

 _

Ejemplo: Sea un fotón de de luz verde cuya  en el vacío es de 530 nm. Calcular su  y  al atravesar agua pura, la energía de un mol de fotones:

 vacío  1,000  agua  1,333 La frecuencia en el vacío será de:



c   

3  1010 cm  s 1  5,66  1014 s 1  5,66  1014 Hz 7 10 cm 1,000  530nm  nm

Cuando la radiación atraviesa el agua, su frecuencia no cambia pero la nueva longitud de onda sera de:

agua 

c 3  1010 cm  s 1   3,98  10 5 cm 14 1   1,333  5,66  10 s 3,98 105 cm 

1nm  398nm 107 cm

  530  398nm  132nm . La longitud de onda se reduce en un 25 % El número de onda será de: _



1 1   2,51  10 4 cm 1 5  cm  3,98  10 cm 9

La energía asociada a un fotón será de:

E  h  6,63  10 34

J s J  5,66  1014 s 1  3,75  10 19 fotón fotón

Para un mol de fotones será de:

E  3,75  10 19

J fotones J  6,02  10 23  2,26  10 5 fotón mol mol

E  2,26  10 5

J 1cal 1kcal kcal   3  54,10 mol 4,18 J 10 cal mol

Problemas resueltos 1.- Para el átomo de sodio, una de las líneas amarillas aparece a los 5890 Å (589 nm). Calcular la energía de la transición electrónica, su frecuencia y su número de onda. h  6,62  10 27 erg  s cm c  3 1010 s

Según la Ley de Planck, la energía del fotón que es la misma que la energía de la transición, será: E  h  h

c



0

La longitud de la onda expresada en cm será:   5890  10 8

cm 0

 5,8  10 5 cm

 cm c s  3,37  10 12 erg E  h  h  6,62  10 27 erg  s  5  5,8  10 cm 3  1010

E  3,37  10 12 erg  10 7

J  3,37  10 19 J erg

La energía en eV será: E  3,37  10 19 J  6,242  1018

10

eV  2,10eV J

La frecuencia será: cm s  5,1  1014 s 1   5  5,8  10 cm c

3  1010

El número de onda será: _



1 1   17241,32cm 1 5  cm  5,8  10 cm

2.- La frecuencia de la luz emitida por los compuestos de potasio es de 7,41 tomará una llama si se introduce cloruro de potasio en la misma? E  h  h

x

1014 s-1. ¿Qué color

c



cm c c s  4,05  10 5 cm      14 1   7,41  10 s 3  1010

0

0 10 8    4,05  10 cm   4050   405nm  voileta 1cm 5

3.- Los átomos de bario en la llama sufren una transición electrónica de 3,62 x 10-12 erg. ¿Qué color toma la llama en presencia de estos átomos excitados?

c h  E

6,62  10 27 erg  s  3  1010 3,62  10 12 erg

cm s  5,49  10 5 cm

0

0    5,49  10 cm  10  5486   548,6nm  verde cm 5

8

4.- ¿Cuál es la frecuencia de la radiación gama procedente de una fuente radioactiva de longitud de onda es de 10-8 Å?

cm c s    3  10 26 s 1 0 cm  10 8  10 8 0  3  1010

11

60

Co si su

5.- La segunda línea de la serie Balmer en el espectro del átomo de hidrógeno se ubica a los 4861 Å. ¿Qué información suministra este dato? ¿Cuál es la energía de la transición en eV?

E  h  h

c



3  10 8

 6,625  10 34 J  s 

m s

0

4861  10 10

m

 4,088  10 19 J

0

 E  4,088  10 19 J  6,242  1018

eV  2,55eV J

6.- Calcular la diferencia en energía, en eV y kcal por mol, entre los orbitales 1s y 2p de cobre, sabiendo que el espectro de rayos X, la línea de mayor energía está a 1,54 Å.

E  h  h

c



 6,625  10 34 J  s 

3  10 8 0

m s

1,54  10 10

m

 1,29  10 15 J  átomo 1

0

 E  1,29  10 15

E  8055,8

J eV eV  6,242  1018  8055,8 átomo J átomo

eV cal 1kcal átomos kcal  3,826  10 20  3  6,02  10 23  185545,37 átomo eV 10 cal mol mol

7.- La longitud de onda de una radiación absorbida durante una transición energética particular es de 10 micrómetros. Calcular la frecuencia, en hertz, el número de onda y el cambio de energía en la transición por molécula y por mol.

 cm   10m 

1cm  10 3 cm 10 4 m cm s  3  1013 Hz( s 1 )   3  10 cm c

_



3  1010

1 1  3  1000cm 1  cm  10 cm

E  h  6,625  10 34

J s J  3  1013 s 1  1,99  10 20 molec molec

E J molec J kJ  1,99  10 20  6,02  10 23  1,14  10 4  11,4 mol molec mol mol mol 12

Si el cambio de energía es el doble, ¿cuál será la longitud de la onda correspondiente?

c J s h  6,63  10 34  E molec

3  1010

cm s

2  1,99  10 20

 m  5,23  10 4 cm 

J molec

 5,23  10 4 cm

10 4 m  5,23m 1cm

Nota: El estudiante a este nivel debe dominar la conversión de parámetros que caracterizan a la radiación electromagnética así como el manejo de sus unidades. Con este objeto se recomienda estudiar el siguiente ejemplo (8) resuelto. Las cifras en rojo son los valores calculados a partir de las cifras que están en negro. 8.- Completar la tabla siguiente:

1 2 3 4

 m

 s 1 

4,50 x 10-9 2,25 x 10-7 3,10 x 10-6 2,75 x 10-7

6,67 x 1016 1,33 x 1015 9,6 x 1013 1,09 x 1015

 cm 1 

EJ part 

2,22 x 106 4,44 x 104 3215 3,63 x 104

4,42 x 10-17 8,81 x 10-19 6,36 x 10-20 7,20 x 10-19

_

1)

10 2 cm  cm   4,50  10 m   4,50  10 7 cm 1m 9

cm c s  6,67  1016 s 1   7  4,50  10 cm 3  1010

_

1 1   2,22  10 6 cm 1 7  cm  4,50  10 cm



E  h  6,625  10 34

J s J  6,67  1016 s 1  4,42  10 17 molec molec

2) m s  2,25  10 7 m   15 1  1,33  10 s c

_



3  10 8

1 1   4,4  10 4 cm 1  cm  2,25  10 5 cm 13

J s J  1,33  1015 s 1  8,81  10 19 molec molec

E  h  6,625  10 34

3)

 cm  

1 _





1  3,1  10 4 cm 1 3215cm

 m  3,1  10 4 cm 

1m  3,1  10 6 m 2 10 cm cm 3  1010 c s  9,60  1013 s 1   4  3,10  10 cm

E  h  6,625  10 34

J s J  9,6  1013 s 1  6,36  10 20 molec molec

4)

J E molec  1,09  1015 s 1   J s h 6,62  10 34 molec 7,20  10 19

cm c s  2,75  10 5 cm  2,75  10 7 m   15 1  1,09  10 s 3  1010

_



1 1   3,63  10 4 cm 1 5  cm  2,75  10 cm

9.- ¿Cuál es la longitud de la onda de la radiación emitida por una lámpara de arco de mercurio si la frecuencia emitid es de 1,2 x 1015 s-1? ¿Cuál es la región del espectro electromagnético donde aparece esta emisión? c  3  1010 cm  s 1

De la relación entre frecuencia y longitud de onda se calcula : cm c s  2,5  10 5 cm    1,2  1015 s 1 3  1010

14

0

Se traducen los cm a Å

0 108  2,5  10 cm   2500  (250 nm). 1cm 5

Esta longitud de onda se ubica en la región ultravioleta. 10.- Al bombardear átomos de cobre con un haz de electrones, se elimina un electrón 1s y por lo tanto un electrón 2s o 2p salta al 1s para llenar el vacío. Al ocurrir esta transición se emite una radiación X con una longitud de onda de 1,54 Å. ¿Cuál será la diferencia de energía entre estos dos orbitales? 1eV  1,60  10 12 erg h  6,62  10 27 erg  s c  3  1010 cm  s 1

E  h  h

c

3  1010

 6,62  10  27 erg  s 



0

1,5  10

cm s  12,9  10 9 erg 8 cm 0



12,9  10 9 erg 

1eV  8,06  10 3 eV 12 1,60  10 erg

11.- La segunda línea de la serie de Balmer del espectro del átomo de hidrógeno aparece a los 4861 Å. ¿Cuál es la energía que corresponde a esta transición? La serie Balmer corresponde a los saltos electrónicos desde n  2 1ra línea: n  3  n  2 2da línea: n  4  n  2 3ra línea: n  5  n  2 4ta línea: n  6  n  2

 cm   4861  0

E  h  h

c



10 8 cm 0



 6,62  10 27 erg  s 

4,07  10 12 erg 

 4,86  10 5 cm

3  1010 cm  s 1  4,07  10 12 erg 5 4,86  10 cm

1MeV  2,54  10 6 MeV 1,6  10 6 erg

15

2,54eV 

Energía

n= n=6 n=5 n=4 n=3

n=2 Serie Balmer visible

n=1

16

Bibliografía Banwell, C. N. 1977. Fundamentos de Espectroscopia Molecular, Ed. Del Castillo, Madrid, cap 6, p. 179 – 224. Brown, Th. L., LeMay, H. E. y Bursten, B. E. 1997. Química: La Ciencia Central. Pearson Educación, México Cordos, E., T. Frentio, A. M. Rusu, M. Ponta y E. Darvasi. 2001. Analiza prin Spectrometrie de Absortie Moleculara in Ultraviolet – Vizibil. Institutul National de Optoelectronica, INOE 2000. Bucuresti Hanna, M, W. 1985. Mecánica Cuántica para Químicos, Fondo educativo Interamericano, México. Harvey, D. 2000. “Química Analítica Moderna”. 1ra. Ed. Mc. Graw Hill Interamericana. México. Robinson, J. W. 1965. The Nature of Light. Part I: a Physical Model of the Photon. Anal. Chem. Acta, Nr. 32, p 262 – 268 Skoog, D. A; Holler, F. J y Nieman, T. A. 2001a. Principios de Análisis Instrumental. Interamericana, México Skoog, D. A; West, D. M.; Holler, F. J. y Crouch, S. R 2001b. Química Analítica. McGraw Hill Interamericana. México.

17

INSTITUTO UNIVERSITARIO POLITÉCNICO SANTIAGO MARIÑO Coordinación de Ingeniería Química y Agronomía

Prof. F. Millán

Curso de Análisis instrumental Bloque II: Métodos de calibración en espectroscopia ultravioleta visible

1.- Introducción A diferencia de los métodos clásicos de análisis químico, los métodos instrumentales son métodos relativos que requieren comparación con soluciones patrones preparados en el laboratorio. Esto se debe a que estos miden la magnitud de una propiedad física del analito la cual varía linealmente con su concentración cuando se cumplen un cierto número de condiciones experimentales de manera estricta. En el caso particular de la espectroscopia ultravioleta y visible se pueden medir 3 propiedades que derivan de la interacción de la materia con esa parte del espectro electromagnético (190 nm <  < 800 nm). Estas propiedades son la absorbancia, la emisión de luz, así como la fluorescencia, las cuales, en las condiciones experimentales adecuadas y en ausencia de problemas externos, presentan una relación lineal con la variación de la concentración, que puede explicarse por la ecuación de una línea recta con origen en cero:

Y  KC

(1)

donde Y es la señal generada por el sistema químico a la interacción, es decir absorbancia, A, Intensidad de emisión, IE, o intensidad de fluorescencia, IF. K es la pendiente de la recta y la cual reúne los factores experimentales y de sensibilidad del método respectivo. Sin embargo, las interacciones químicos espectrales con los solventes y la matriz de la muestra, así como los ruidos eléctricos o electrónicos de los equipos generan señales interferentes de fondo (blanco) que aparecen reflejadas en el corte en el eje Y y la ecuación (1) toma la forma:

Y  a  bC

(2)

De esta manera, un buen control de las condiciones experimentales tiende a minimizar el corte en Y, incrementar el valor de b y mejorar la precisión del análisis. El término “Calibración” se refiere entonces a la comprobación de la relación lineal dada por la ecuación (2), así como la optimización de la longitud de onda de trabajo que genere una relación exacta y precisa que permita relacionar un conjunto de datos espectroscópicos con los datos referenciales de laboratorio y de las muestras desconocidas por analizar. 18

2.- Factores que afectan el proceso de calibración El proceso de calibración se puede ver afectado por diversas variables que pueden comprometer tanto el corte en Y como la linealidad de la relación señal – concentración. Entre estos están: -

Naturaleza del solvente Reactivos pH Temperatura Concentración de electrolitos Rango de concentración del analito Presencia de interferentes y composición de la matriz

Todas estas variables deben ser conocidas y controladas para eliminar o minimizar sus efectos sobre la calibración. Por ejemplo, el solvente usado debe ser transparente a la longitud de onda de trabajo, los reactivos químicos deben ser grado analítico para evitar errores sistemáticos, los equilibrios ácido base deben ser tamponeados y la temperatura debe regularse a  0,5o C . Los interferentes deben eliminarse de la matriz o enmascararse y debe conocerse la composición de esta última para emularla en la preparación de los patrones. De no ser posible la imitación de la matriz en los patrones se debe recurrir entonces a métodos de calibración especiales que minimizan los efectos interferentes de la matriz. Y Matriz del patrón Matriz de la muestra

YA

Error

CA CA

Conc

Figura 1.- Comparación entre calibración con patrones emulados y no emulados a la matriz. 3.- Tipos de calibración 3.1.- Calibración con un patrón Se prepara un solo patrón de concentración conocida, Cp, y se mide su señal dada por Yp. Y p  a  KC p  KC p

19

(3.1)

de donde:

Kp 

Yp

(3.2)

Cp

Igualmente para la muestra se mide su señal, la cual está dada por:

YA  K A C A

(3.3)

En condiciones experimentales constantes Kp = KA y la concentración de la muestra está dada por:

CA 

YA Kp

(3.4)

Este método de calibración tiene la ventaja de ser simple, rápido y cómodo sin embargo, puede estar sujeto a errores sistemáticos ya que se supone un corte en Y igual a cero Y

Relación real Relación supuesta

YA

Error Yp

Cp

CA CA

Conc

Figura 2.- Error por calibración con un punto Ejemplo 1: Sea el caso de un análisis espectrofotométrico de Hg+2 en sangre. Se preparó un patrón de concentración Cp = 1,75 ppb el cual mostró una absorbancia de 0,474, mientras que la muestra presentó una absorbancia de 0,361. Según la ecuación 3.2, la constante Kp será:

Kp 

Ap Cp



0,474  0,271 ppb 1 1,75 ppb

y según la ecuación 3.4 la concentración de Hg+2 será:

20

C Hg  2 

AA 0,361   1,33 ppb K p 0,271 ppb 1

3.2.- Calibración con varios puntos El procedimiento básico consiste en la preparación de una serie de soluciones patrón (mínimo 4), con un rango de concentración en el rango lineal de la relación respuesta – concentración, y dentro de la cual se supone está la concentración del analito. La representación gráfica de Yp vs Cp se conoce como recta de calibración descrita por la ecuación:

Y  Y0  KC A

(3.5)

de donde la concentración del analito estará dada por: CA 

YA  Y0 K

(3.6)

CA es la concentración del analito y Y0 la señal del blanco. Esta recta se calcula por el método de regresión lineal con el cual se obtiene la ecuación de la recta más probable que pasa por entre los puntos obtenidos con la medición de los patrones. Ejemplo 2: Sea el caso de la determinación de Hg+2 en sangre del ejemplo 1 y por medio de los patrones se obtiene la ecuación de la recta de calibración: Y  Y0  KC  0,003  0,296  C

La Y de la muestra es: YA =0,397 De la ecuación anterior se tiene la concentración de la muestra: CA 

YA  Y0 0,397  0,003   1,33 ppb K 0,296

Una curva de calibración con patrones permite analizar un conjunto de muestras utilizando una sola ecuación, lo que representa una ventaja, dado que usualmente el laboratorio tiene muchas muestras por analizar. La calibración directa es simple, rápida y cómoda, sin embargo, la diferencia en composición química de la muestra, la matriz y la composición de los patrones introduce un error sistemático debido a la interferencia que ejerce la matriz de la muestra, tal como se ve en la Figura 1. Por lo tanto, al prever problemas con la matriz de la muestra se debe ajustar la matriz del patrón con la de la muestra.

21

Y

Yp4 Yp3 YA

tg 

Yp2

dY dc

Yp1 Yp0 Cp0

Cp1

Cp2 CA

Cp3

Conc

Figura 3.- Curva de calibración con varios patrones

4.- Calibración por el método de Adición Patrón Cuando no es posible equiparar las matrices de patrones y muestras, debe recurrirse al método de calibración por adición estándar. Este método es aplicable particularmente al análisis de muestras complejas donde el efecto de la matriz es considerable. El mismo consiste básicamente en añadir alícuotas conocidas de una solución patrón a un volumen fijo y conocido de la muestra. Si el volumen de la alícuota de la solución patrón es despreciable frente al volumen de la muestra, no se introducen cambios importantes de volumen de la muestra y los patrones se pueden preparar utilizando la misma muestra en su misma matriz. Se conoces diferentes modalidades del método: 4.1.- Una adición patrón Se toma un volumen Vo de la muestra, de concentración CA y se diluye a un volumen final Vf y se mide la señal de la muestra YA.  V YA  k A   C A 0  V f 

   

(4.1)

En una segunda alícuota igual a la anterior se agrega un volumen de patrón Vp conocido de concentración Cp, se lleva la solución a volumen final Vf y se mide la señal de la adición patrón Yap.

 Vp V Yap  k ap   C A o  C p  V Vf f 

22

   

(4.2)

En la medida que Ves sea mucho menor que Vo, el efecto de la adición patrón a la matriz de la muestra será insignificante y las matrices de la muestra y la muestra más la adición patrón son las mismas, y kA será igual a kap.

k A  k ap

(4.3)

De esta manera

Yap YA  V   C A o  C Vo  C V ps  A p Vf  V V f  f 

(4.4)

Y de donde se puede calcular la concentración del analito CA.  V V p  YA  V f  C A  C A 0  C p  V f  Yap  V0  V f

  

(4.5)

Ejemplo 3: sea la misma determinación de Hg+2 en sangre en los ejemplos 1 y 2. Se toma 1 mL de la muestra y se diluye a 10 mL a la cual le corresponde una YA = 0,193. A una segunda alícuota de la muestra de 1 mL se añade 1 L de solución patrón de Hg+2 de 1560 ppb y se diluye a 5 mL y a la cual le corresponde una Yap = 0,419  1mL 10 3 mL  0,193  5mL  C A  C A  1560 ppb    C A 0,2  0,312 2,303  0,46C A  0,719  5mL  0,419  1mL   5mL

1C A  0,46C A  0,719  0,54C A Sacando factor común y resolviendo:

CA 

0,719  1,33 ppb 0,54

Adición patrón directamente a la muestra después de realizar la medición. En este caso se mide la señal de la muestra

YA  k A  C A

(4.6)

Seguidamente se agrega un volumen de patrón Vp conocido y se mide la señal de la adición patrón. El volumen final será:

23

V f  Vo  V p

(4.7)

y la señal de la adición patrón será:  Vp Vo Yap  k ap   C A  C ap  V V Vo  V p o p 

   

(4.8)

Si k A  k ap

YA  CA

Yap  V0 CA V V p  0

  Vp   Cp  V V p   0

   

(4.9)

de donde la concentración del analito será:

  V0 C A  C A     V0  V p

  Vp   Cp  V V p   0

 Y A    Y  ap

(4.10)

Ejemplo numérico 4: sea la misma determinación de Hg+2 en sangre en los ejemplos 1, 2 y 3. Se toman 5 mL a la cual le corresponde una YA = 0,712. Se añaden 5 L de solución patrón de Hg+2 de 1560 ppb y a la cual le corresponde una Yap = 1,546 Según la ecuación (4.10) se tiene:     0,005mL  0,712 5mL   1560 ppb   C A  C A    5  0,005mL  1,546   5  0,005mL 







 C A 0,999  1560 9,99  10 4  0,461  0,460C A  0,718

Sacando CA factor común:

1C A  0,460C A  0,718  0,540C A 0718 CA   1,33 ppb 0,540

4.2.- Adición patrón en varios puntos En este caso, se prepara una recta de calibración añadiendo volúmenes crecientes de estándar de concentración conocida a volúmenes fijos de muestra contenidos en un balón aforado.

24

Debido a que la recta de calibración de la adición patrón “AP” se construye con la muestra, no puede usarse para otra muestra, de manera que cada una requiere su propia curva de calibración. Esto representa una desventaja para la aplicación sistemática a un gran número de muestras.

Vp 1

Vp 2

Vp 3

Vp 2

Volumen fijo de muestra

Figura 4.- Método de la adición patrón. Sí la respuesta instrumental es proporcional a la concentración, lo cual es un requisito para poder aplicar el método, se puede escribir que:

Yap  k  C A

Vo V  k  Ces es  a  b  Ves Vf Vf

La representación de Yap vs Vp (o Yap vs Cp), es una línea recta con corte en “a” y pendientes, “b”, las cuales pueden ser calculadas por el método de mínimos cuadrados.

a  k  CA 

bk

Vo Vf

C es Vf

CA se determina a partir de la relación entre estas dos cantidades:

25

a  b

k  CA  k

Vo Vf



C es Vf

CA 

C A  Vo C es

a C es  b Vo

Por otro lado, la intersección de la recta con el eje de Ves corresponde a la señal con Yap = 0. De esta manera:

0  k  CA

Vo V  k  Ces es Vf Vf

 k  CA

C A   Ces

Vo V  k  Ces es Vf Vf

Ves V0

Yap  a  b Ves

Y

tg 

C A   Ces

Ves V0

a  k  CA

C dY  b  k es dVes Vf

V0 Vf

Y 0

Ves

Figura 5.- Adición estándar en varios puntos Yap contra Ves Ejemplo numérico 5: Sea la misma determinación de Hg+2 en sangre en los ejemplos 1, 2, 3 y 4. Se toman varias alícuotas de 1 mL de muestra y se añaden cantidades crecientes de solución estándar de Hg+2 de 1560 ppb y se lleva a un volumen final de 5 mL. El método de los mínimos cuadrados arroja la ecuación para la recta de calibración:

Yap  0,266  312mL1  Ves 26

Igualando la ecuación cero se obtiene: 0  0,266  312mL1  Ves

de donde: Ves 

 0,266  8,53  10 4 mL 312mL1

y la concentración del analito será:

C A  1560 ppb 

8,53  10 4 mL  1,33 ppb 1mL

Ejemplo numérico: En cuatro balones aforados de 50 ml se introducen alícuotas de 2 ml de una muestra desconocida que contiene hierro. Se agregan respectivamente 0, 2, 4 y 6 ml de una solución estándar de 100 ppm de hierro férrico, 10 ml de una solución amortiguadora de ácido acético y 10 ml de solución de ácido sulfosalisílico para la formación del complejo rojo. Se enrasan los balones con agua destilada. Las absorbancias respectivas se muestran en la Tabla siguiente. V0 (ml) 2 Ves (ml) 0 Vf (ml) 50 0,082 A

2 2 50 0,338

2 4 50 0,537

2 6 50 0,756

Representando gráficamente la absorbancia en función del volumen del estándar agregado se obtiene la línea recta: A  0,0951  0,1111 VES

la pendiente es: b  0,1111ml 1 y el corte en el eje de las absorbancias es: a  0,0951 . Estos datos se aplican a la expresión para la concentración del analito y se calcula su concentración según:

C Fe  3 

a Ces 0,0951 100 ppm     43,00 ppm 1 b Vo 2ml 0,1111ml

La concentración del analito se puede igualmente calcular por la extrapolación de la recta A  f Ves  . El valor extrapolado corresponde al volumen de reactivo a la cual corresponde una absorbancia igual a cero:

Ves0 0,856mL C A   Ces   100 ppm   42,8 ppm V0 2mL 27

Figura 6.- Recta de calibración por adición estándar para el análisis de Fe+3 en una muestra compleja Ejemplo: Para la determinación de Ag+ en desechos fotográficos por EAA se realizó un procedimiento por adición patrón. Las cantidades de patrón añadidas y las absorbancias de los respectivos patrones se muestran en la Tabla siguiente:

g Ag+ x mL-1 añadido 0 5 10 15 20 25 30

A (absorbancia) 0,32 0,41 0,52 0,60 0,70 0,77 0,89

Con estos datos se debe calcular la concentración de iones plata en la muestra de desechos fotográficos. Con los datos de la tabla se genera la recta de calibración calculada por mínimos cuadrados: A  0,322  0,019C x

Para A = 0 (Y = 0)

C Ag  

 0,322  16,947 ppm 0,019

28

Figura 7.- Absorbancia vs concentración del estándar agregado 5.- Método de calibración por patrón interno Cuando no es posible controlar un procedimiento de manera que todas las muestras y patrones reciban el mismo tratamiento, la exactitud y precisión del análisis pueden desmejorar. El patrón interno es una sustancia que se añade a todas las muestras, patrones y blancos en una cantidad fija. El mismo debe ser distinto del analito pero de comportamiento químico similar y para aplicar el método, ambos (analito y patrón interno) deben determinarse de manera secuencial o simultáneamente. Por este motivo, es el método usado por excelencia en las técnicas de emisión atómica (plasma ICP, chispa, arco, llama) En este caso, la recta de calibración es una representación gráfica de la relación de las señales del analito y el patrón interno en función de la concentración del analito en los patrones. Sí CA es la concentración del analito, y Cpi la del patrón interno, YA y Ypi, las señales instrumentales respectivas, entonces se puede escribir:

YA  k A  C A  Y pi  k pi  C pi

(5.1)

La relación de las señales será:

YA k C C  A  A K A Y pi k pi C pi C pi

(5.2)

Para una estandarización con un solo punto se prepara un patrón y se determina K por la ecuación anterior.

29

 C pi   YA      K   Y  C  A   pi  y la concentración del analito viene dada por  C pi   y A      C A    y pi  K    1

Ejemplo numérico: Para un análisis de plomo en sangre se prepara un patrón de Pb+2 de 1,75 ppb al cuál se agregan 2,25 ppb de Cu+2 como patrón interno; se mide la relación de las señales obteniéndose un valor de 2,37. A una muestra de la sangre se le agrega igual cantidad de patrón interno de Cu+2 y la relación de las señales da un valor de 1,80. Con estos datos determinar la concentración de plomo en la muestra de sangre. Se calcula la K con el patrón más el estándar interno:  C pi   YA   2,25 ppb        2,37  3,0471 K    Y   1,75 ppb  C  A   pi 

Teniendo la constante K se procede a calcular la concentración de plomo en la muestra de sangre:

 C pi   y A    C A    K    y pi1

  2,25 ppb     1,80  1,329 ppb  1,33 ppb   3,0471  

Calibración con varios puntos Para la calibración con varios puntos se preparan varias soluciones patrón con concentraciones crecientes de analito y una cantidad fija de patrón interno. Se realiza una gráfica de la relación de las señales YA Y pi vs CA Ejemplo numérico: Para el caso del problema anterior se prepara una curva de calibración que tiene por ecuación:

 yA   y pi  1

   0,006  2,11 ppb 1  C A   patrón

Para una muestra cuya relación de señales YA YPI es de 2,80, la concentración de plomo será:

CA 

YA YPI  0,006 2,80  0,006  ppb  1,3299 ppb  1,33 ppb 2,11 2,11 ppb 1

30

Eligiendo adecuadamente el patrón interno se pueden compensar algunos errores aleatorios y/o sistemáticos. De esta manera, si las señales del analito y patrón tienen una respuesta proporcional al error aleatorio instrumental, y a las fluctuaciones del método, la relación de dichas señales será independiente de estas fluctuaciones. Si ambas señales se modifican de la misma forma por el efecto de la matriz de la muestra, entonces ambos efectos se compensarán. La escogencia del patrón interno es crítica en el sentido que el mismo debe dar una señal similar a la del analito, pero lo suficientemente diferente para permitir su diferenciación. La matriz de la muestra no debe contener al patrón interno de una manera que la única fuente de esta sea el patrón añadido. Por ejemplo, el Litio es un patrón interno adecuado para la determinación de Sodio y Potasio en aguas debido a que el comportamiento del litio es similar al de estos analitos. Este método de estandarización se usa por lo general en la determinación de metales traza por Espectroscopia de Emisión en Plasma, ICP, donde se pueden analizar patrón y analito de manera secuencial o simultáneamente Ejemplo: En el análisis clínico de Na+ y K+ por fotometría de emisión en llama utilizando Li como estándar interno así como supresor de ionización. Con los datos mostrados en la Tabla trazar las curvas de calibración normal y vs la relación de las señales y con ellas calcular la concentración de Na + y K+ en una muestra que presenta señales de 1,4 para Na+, 0,73 para K+ y 95 para Li+. ¿Cuál sería el error asociado de no usar la calibración con el estándar interno?

Na ppm 0,1 0,5 1,0 5,0 10,0

INa 0,11 0,52 1,20 5,90 10,5

K ppm 0,10 0,50 1,0 5,0 10,0

IK 0,15 0,68 1,50 7,70 14,0

Li ppm 1000 1000 1000 1000 1000

ILi 86,0 80,0 91,0 91,0 81

INa/ILi 0,0013 0,0065 0,0132 0,0648 0,1296

IK/ILi 0,0017 0,0085 0,0165 0,0846 0,1728

En la Tabla anterior se dan las cantidades de patrones y estándar interno para realizar la calibración, las intensidades relativas en cada caso y la relación de las mismas. Con estos valores se construyen las gráficas mostradas en las Figuras 8, 9 y 10. Obsérvese que el rango de concentraciones de los patrones se extiendo por dos órdenes de magnitud, al igual que los valores de las intensidades relativas, lo que exige el uso de escalas logarítmicas para el trazado de la recta de calibración. En la Figura 8 se muestra la gráfica de calibración sin el uso del estándar interno y en escala no logaritmada. Las curvas presentan una ligera curvatura, o que se explica por los coeficientes de regresión (0,9987 para el potasio y 0,9981 para el sodio).

31

Análisis de Na y K

Int. Rel K

16

I K   0,1128  1,4136CK 

14

r  0,9987

12

IE (ua)

Int. Rel Na

10 8

I Na  0,1254  1,0604CNa r  0,9981

6 4 2 0 0

2

4

6

8

10

12

ppm

Isodio  0y,1254 1,4  0,1254 Figura 8.- Rectas de calibración potasio y con escalas lineales. Na C Napara  sin estándar interno 1,202 ppm   1,064 1,0604 El cálculo de las concentraciones se realiza a partir de las ecuaciones de las rectas respectivas I K   0,1128 0,73  0,1228 según el procedimiento ya conocido:

CK  

C Na 



1,4136

I Na  0,1254 1,064

I K   0,1128

CK  



1,4136



 0,436 ppm

1,4136

1,4  0,1254  1,202 ppm 1,0604

0,73  0,1228  0,436 ppm 1,4136

Relación de señales

Análisis de Na y K con EI de Li

IK

0,2 0,18 0,16 0,14 0,12 0,1 0,08 0,06 0,04 0,02 0

I Li 

IK/ILi

 4,076 104  0,0173CK 

r  0,99995 I Na I Li 

0

INa/ILi

2

4

6

8

 7,50 105  0,01295C Na

r  0,999998 10

12

ppm

I Na 5 7,56 y10 Figura 9.- Rectas de calibración parasodio potasio con estándar interno y con escalas lineales. I Li  0,0147  7,5 105 C Na    1,129 ppm 0,01295 I Na 0,01295 5 I   7,56  10 I LiK  4,076 10 4 0,0147  7,56  10 5 4 C Na  I Li   0,00768  4,076 10 1,129 ppm CK     0,420 ppm 0,01295 0,01295 0,0173 0,0173 32

IK CK  

I Li 

 4,076  10 4 0,0173

0,00768  4,076  10 4   0,420 ppm 0,0173 ppm Na+ (ppm K+)

1

INa/ILi

IA I EI

0,47

IK/ILi

1,2

0,1

0,01

0,001 0,1

1

10

A

B Figura 10.- Rectas de calibración para sodio y potasio con estándar interno en escalas logaritmadas. A: Excel y B: manual en papel log - log En la figura 9 se muestran las gráficas de calibración con el uso del estándar interno y en escala no logaritmada. Se observa que la linealidad de las rectas mejora, lo que es apoyado por los valores de los coeficientes de regresión de ambas rectas, (0,99995 para el potasio y 0,999998 para el sodio). 33

Sin embargo, debido a que las escalas no son logaritmadas, los primeros datos están muy comprimidos, mientras que los últimos presentan mayor separación. En la Figura 10 se muestran las rectas de calibración realizadas con escalas logaritmadas, A: Excel y B: manual con papel logaritmado. Se observa que hay repartición más homogénea de los datos. Cálculo del error que se cometería de no haber usado el método del estándar interno: Para el caso del potasio: Para el caso del sodio:

1,20  1,13  100  5,83% Error positivo por exceso 1,20 0,44  0,47 %E   100  8,82% Error negativo por defecto 0,44 %E 

Los resultados indican que el análisis sin estándar interno sobre estima las cantidades de potasio en un 5,83 % y subestima las cantidades de sodio en un 6,82 %. Por su puesto, estos errores están muy por encima de lo aceptado para un análisis químico de este tipo. 6.- Errores en la calibración La estandarización con varios puntos plantea un problema un poco más complicado que la estandarización con un punto y el procedimiento plantea algunas interrogantes que son importantes, a saber: -

¿Cuál es la recta más probable que pasa por entre los puntos de calibrado? ¿Cuál es el grado de linealidad de la recta de calibrado? ¿Cuáles son los errores y los intervalos de confianza para el corte y la pendiente de la recta de calibrado? ¿Cuáles son los errores e intervalos de confianza en la concentración calculada? ¿Cuál es el límite de detección del método?

6.1.- Grado de linealidad Para poder determinar si los puntos de la calibración se ajustan realmente a una línea reta se debe determinar el “Coeficiente de Correlación, r” el cual está dado por la siguiente relación:

 X

r

i



 X Yi  Y



i









 2  2   X i  X   Yi  Y    i   i

1 2

donde:  1  r  1 Como se muestra en la Figura 11, un valor de r  1 indica una correlación positiva perfecta, lo que quiere decir que todos los puntos están sobre la recta, la cual posee pendiente positiva. Por el

34

contrario, un valor de r  1 indica una correlación negativa perfecta y todos los puntos están sobre la recta que esta vez posee un pendiente negativa.

Y

Y

r=1

r = -1

C

C Y

Y

r=0

r 10 m) pueden producir problemas en la llama como una vaporización incompleta lo que trae como consecuencia que baje la temperatura de la llama, de manera que la fracción de menor diámetro debe constituir entre el 10 a 15 % del total de la solución nebulizada. El distribuidor de flujo dentro de la cámara de premezcla ayuda a homogeneizar la mezcla del spray y los gases a la vez que permite y promueve la separación de gotas de mayor diámetro. De igual manera la cabeza de impacto, alineada con la salida del nebulizador permite la formación de gotas de menor diámetro. Por último la cabeza del quemador de ranura larga que sostiene la llama laminar donde se sucederán los procesos de atomización. Todo el sistema es desmontable para su mantenimiento y limpieza cuando sea necesario. El tope de la cámara de premezcla, donde está acoplado el nebulizador se puede remover retirando los tornillos que la sujetan al resto del quemador. La Llama Las llamas son sistemas fisicoquímicos compuestos por gases a altas temperaturas y donde se suceden procesos físico químicos complejos como oxidaciones altamente exotérmicas como la oxidación o combustión de hidrocarburos. La combustión del hidrocarburo se lleva a cabo a presión constante y los factores que limitan la temperatura máxima que se puede alcanzar son la expansión de los gases y la disociación de las moléculas los cuales ambos consumen energía y esta energía consumida no está disponible para calentar la llama. Las temperaturas altas se ven favorecidas por un valor alto del calor de combustión (mezcla de gases) y por la estabilidad química de los productos de la combustión La manera más fácil de producir átomos es nebulizando una solución e introduciéndola en una llama, por su puesto las gotas del nebulizado serán desolvatadas, las partículas sólidas se fundirán y vaporizarán y finalmente los átomos serán liberados. El objetivo para la EAA (y EEA en llama) es de obtener una población atómica lo más elevada posible a partir de una solución de concentración dada y para una temperatura dada. En la Tabla 5 se muestran los tipos de llama usuales, sus temperaturas promedio y velocidad de quemado. Tabla 5.- Llamas utilizadas en absorción atómica. Llama

T oK mínima

T oK máxima

Velocidad de quemado cm s-1

C3H8 / aire

2267

2279

39 - 43

C2H2 / aire

2540

2600

158 - 260

C2H2 / N2O

3150

3250

285

La llama de C2H2 /aire es estándar para unos 30 elementos metálicos sin embargo, para aquellos elementos que forman óxidos refractarios en la llama como Al, Ca, tierras raras, su 151

temperatura es insuficiente para disociar las moléculas de óxidos. Por este motivo, para este tipo de elementos se utiliza la llama de C2H2 /N2O La llama utilizada en EAA – llama es producida y sostenida por un quemador que posee una cámara donde los gases (combustible y oxidante) se mezclan previamente y salen con velocidad constante por la ranura. Por este motivo a la llama se le clasifica como una llama de premezcla o llama laminar por el régimen de flujo laminar que presentan los gases a la salida. En la Figura 12 se muestra una sección transversal de una llama de premezcla como las producidas por el quemador de ranura larga de un espectrofotómetro. Se supone que la velocidad de salida de la mezcla va es constante a lo largo de toda la ranura del quemador y que la velocidad de quemado vb también tiene un valor constante a lo largo de todo el frente de combustión. De esta manera, dentro de los límites de estabilidad se tiene que:

  vb  va  sen  vb sen   va De la ecuación anterior se deduce que a medida que aumenta va, el cono se hace más agudo hasta que la llama se levanta de la ranura del quemador y se extingue. Por otro lado, si la va < vb la llama tiende a entrar al interior del quemador ocasionando lo que se conoce como un “Flash Back”

Figura 12.-Sección transversal de una llama de premezcla. En las llamas de premezcla se observan claramente 4 zonas como muestra la Figura 12. La zona de precalentamiento donde los gases se calientan hasta la temperatura de ignición de la mezcla, la zona de reacción primaria donde tiene lugar el proceso de la combustión, la cual es rica en especies 152

iónicas y radicales libres y posee una quimioluminiscencia característica. A esta zona se le denomina también “cono interno y es una zona reductora. La zona interconal la cual se encuentra entre la zona de reacción primaria y secundaria. Es una zona donde los procesos químicos se encuentran en equilibrio termodinámico e igualmente presenta una quimioluminiscencia característica. Sus dimensiones y homogeneidad dependen del tipo de mezcla y del flujo de los gases. En esta zona se alcanza la temperatura máxima de la llama justamente en el ápice del cono. La cuarta zona es la zona de reacción secundaria la cual es una zona difusa donde tienen lugar la recombinación de radicales libres para formar especies más estables. Igualmente el O2 circundante difunde al interior de la llama oxidando el CO a CO2 y el hidrógeno se transforma en H2O. A esta zona se le denomina igualmente zona oxidante. La llama de premezcla puede ser reductora si hay un exceso de combustible en la mezcla (fuel rich) o puede ser oxidante si hay un exceso de oxidante. El combustible es un hidrocarburo, por lo general acetileno y el oxidante es por lo general el oxígeno del aire de manera que la combustión del hidrocarburo es una oxidación vigorosa del mismo. El carbono se oxida a CO y CO2 y el hidrógeno forma agua. Esta combustión puede ser completa cuando sólo se produce CO2 y H2O:

2C2 H 2  5O2  4CO2  2H 2O pero si aparecen CO y C como productos de reacción la combustión es incompleta y se deposita hollín en las ranuras del quemador.

5 C2 H 2  O2  CO2  CO  2C  2 H 2 O 2 Mecanismo de atomización en la llama e Interferencias asociadas Las llamas son un atomizador que acarrea diversos problemas debido a su naturaleza de sistema dinámico. Diversas reacciones ocurren con las mismas especies de los gases, el oxígeno circundante y con los componentes de la muestra introducida, es decir, la matriz y el propio analito. De hecho, a partir del momento en que la solución contentiva del analito es introducida a la llama como aerosol, después de la nebulización, se suceden una serie de reacciones físico químicas que conducen a la atomización. En la Figura 13 se muestra la secuencia de los diferentes procesos por los que pasa la muestra desde su introducción a sistema atomizador hasta la atomización propiamente dicha.

153

Figura 13.- Procesos involucrados en la atomización en llamas. Cada uno de estos pasos puede estar sujeto a alteraciones que a la final pueden afectar seriamente la eficiencia de la atomización. A estas alteraciones se les conoce como interferencias que pueden ser por su puesto físicas, químicas o espectrales. Las interferencias físicas se deben a las propiedades físicas de la muestra o a los procesos físicos involucrados, las interferencias químicas se deben a reacciones químicas colaterales con el analito y las espectrales se deben al solapamiento de espectros. En la Tabla 6 se señalan los procesos físicos a los cuales está sometida la muestra líquida y las propiedades físicas respectivas que pueden ser responsables de la alteración de la señal. Un ejemplo clásico que sucede con frecuencia es el alto contenido de sólidos que incrementa la viscosidad y puede causar la obturación del nebulizador y de la ranura del quemador, igualmente se retarda el proceso de vaporización. Tabla 6.- Procesos físicos y propiedades físicas involucradas Proceso Aspiración Nebulización Transporte Desolvatación Fusión Vaporización

Propiedad física Viscosidad, alto contenido de soluto, presión hidráulica Tensión superficial, densidad, viscosidad Contenido de sal, presión de vapor, tamaño de gota Tamaño de gota, coeficiente de difusión, temperatura, presión de vapor del solvente, punto de ebullición del solvente, tiempo de residencia Punto de fusión de la sal Punto de ebullición de la sal

La Nebulización La nebulización es la transformación de la solución en una niebla fina que se transporta a la llama de una manera constante y reproducible. El débito de la solución nebulizada está dado por la ley de Poiseuille que se expresa por: 154

Q

  R 4  P 8   l

donde l es la longitud del capilar, P la presión de la nebulización, R el radio del capilar y  la viscosidad dinámica de la solución. Solo la fracción de gotas más finas, entre el 5 y 10 %, logra llegar a la llama, las gotas de mayor diámetro se van al drenaje debido al peso de las mismas. Una vez que la niebla fina alcanza la llama se suceden en corto tiempo los procesos de desolvatación, fusión, vaporización y disociación al igual que los procesos colaterales. La Desolvatación La Desolvatación no es más que la evaporación del componente líquido de las gotas de la niebla durante el transporte por la cámara de premezcla del quemador y finalmente en el atomizador. La velocidad de la misma es función de la transferencia de calor entre los gases de la llama y la gota y se puede definir como la pérdida de masa por unidad de tiempo causada por la evaporación del solvente:



 T  Teb  dm 4  r     Ln1  C P    k r dt CP CV  

Donde  es la conductividad térmica del gas, r es el radio de la gota, CP es el calor específico del vapor a presión constante, T es la temperatura de la llama, Teb es la temperatura de ebullición del solvente y CV es el calor de vaporización del solvente. De todos los factores involucrados en la ecuación anterior, sólo el radio es variable, por lo que la velocidad de desolvatación es proporcional al radio de la gota.

Figura 14.- Desolvatación de una gota de la niebla. Tg es la temperatura de la gota, TF es la temperatura de la llama, F es la conductividad térmica de los gases de la llama, m es la conductividad térmica de la mezcla de difusión y V la conductividad térmica del vapor del solvente. En la Figura 14 se muestra un modelo donde la gota está rodeada por una película de vapor de solvente que a su vez está rodeada por una mezcla de vapor de solvente y gases de la llama. Propiedades como el calor de vaporización y tensión superficial tienen un efecto favorable sobre la 155

velocidad de desolvatación y el tamaño de la gota y es por eso que cuando se nebuliza un solvente orgánico la desolvatación es acelerada

La Vaporización Luego de la desolvatación tiene lugar la vaporización donde el aerosol seco se funde y se vaporiza igualmente por acción del calor de la llama. Esta vaporización se puede llevar a cabo por dos mecanismos diferentes: -

Transferencia de calor: si Teb del soluto es menor que la temperatura de la llama

-

Transferencia de masas: difusión del soluto gaseoso de la partícula

Datos como el punto de fusión, punto de ebullición y punto de sublimación dan idea de la extensión de la vaporización. Una temperatura alta y una baja concentración tienden a promover una vaporización completa. La vaporización incompleta trae algunos problemas como pérdida del analito, curvatura de la recta de calibración, crea espectros continuos que se suman al fondo de la llama y producen difusión de la luz. Entre los factores que afectan negativamente la volatilización son: una alta concentración, la tendencia a la formación de compuestos no volátiles, aumento en la velocidad de aspiración, bajas temperaturas, baja altura de observación y una alta velocidad de ascenso que se traducen en corto tiempo de estadía así como un exceso de oxígeno en la llama. Disociación y Atomización Luego de que se sucede la vaporización, tienen lugar los procesos de disociación y atomización donde se liberan los átomos libres que absorberán la radiación de la LCH o emitir radiación característica. El proceso de disociación se complica por las interacciones con las especies de los gases de la llama y por la presencia de especies que forman parte de la solución nebulizada. Así el grado de disociación se define como.



CM C  M C M  C MX  C M  C M Total

Donde CM es la concentración de átomos libres del metal M y  depende del tipo de metal. Para el caso más simple cuando el metal sólo forma un compuesto molecular en la llama:

MX  g   M  g   X g  Donde X es un componente de la solución nebulizada. Si está establecido un equilibrio se formula la ley de acción de las masas:

156

K D T  

CM 0  C X C MX

KD (T) depende sólo de la temperatura y del tipo de metal. Suponiendo que ni M ni X reaccionan en la llama.

C M    C M Total C MX  1   CX   C M Total  C M  C MX K D T  

  CM

Total



1

K D T   2  C M Total 1   Así, la disociación aumenta cuando la concentración disminuye y cuando aumenta la temperatura, pero si la concentración de X aumenta la disociación disminuirá. Se puede dar el caso de la formación de compuestos moleculares por combinación del metal con los componentes de los gases de la llama como por ejemplo LiOH, CaO, CaOH, CuH entre otros. De esta manera, la disociación de un compuesto dado depende de la temperatura y de la composición de la llama. Para los metales alcalinos, la formación de hidróxidos es más probable, los alcalino térreos están presentes en la llama como moléculas de óxido, elementos como La, Ti, Si, W, B, Zr, V, Sc, Ta, Re, Al, U y lantánidos tiene gran tendencia a formar óxidos con energías de disociación de entre 6 y 8 eV. La mayoría de las llamas no son adecuadas para atomizar estos elementos desde la forma de óxidos, el grado de disociación dependerá de la temperatura de la llama y particularmente de las condiciones reductoras de la misma. De esta manera la eficiencia de la disociación y atomización se puede incrementar aumentando el suministro de combustible o utilizando solventes orgánicos. Otros metales como Ag, Te, Cu, y Zn en la llamas existen básicamente bajo la forma atómica libre y por lo tanto pueden ser analizados por EAA sin mayores inconvenientes. Sea el caso de la atomización de calcio (alcalino Térreos). Si la forma de calcio es clorhídrica, CaCl2, pueden sucederse las siguientes reacciones:

CaCl 2  H 2 Ol   CaCl 2 v   H 2 O CaCl 2  H 2 Ol   CaOs   H 2 O Pero si el calcio está bajo la forma nítrica, Ca(NO3)2 se sucede sólo la reacción: 157

CaNO3 2  H 2 Ol   CaOs   N 2 O5

Las vías de atomización serían respectivamente:  CaCl 2 v   Ca 0  Cl 2

 CaO   Ca 0  O

Como el punto de ebullición del CaCl2 es menor que el del CaO, (2577 oC) se considera la primera reacción como vía principal para la atomización. De esta manera, para una llama de C2H2 / aire, el rendimiento de la atomización del calcio debe se mejor a partir de solución clorhídrica que de la solución nítrica. Las reacciones siguientes plantean dos vías para la atomización del calcio en la llama:  H 2O

780o C

16000C

ED ( CaCl )

desolv

fusión

vaporiz

atomiz

CaCl 2  H 2 Ol   CaCl 2 s   CaCl 2 l   CaCl 2 g 



 HCl

25000C

28500C

ED ( CaO )

desolv

fusión

vaporiz

atomiz

Ca 0  Cl 2

CaCl 2  H 2 Ol   CaOs   CaOl   CaOg   Ca 0  O Igualmente, la presencia de fosfatos en la muestra es un problema en la determinación de calcio debido a la formación de un pirofosfato de calcio que es termoestable y difícilmente disociable en la llama de C2H2 / aire:  CaCl 2  2H 3 PO4   Ca2 P2 O4  4HCl  H 2 O

Sin embargo, hay unas soluciones que pueden evitar la formación del pirofosfato de calcio como lo es el uso de agentes protectores como el EDTA o el uso de agentes liberadores como La y Sr como lo muestran las reacciones siguientes: EDTA  Ca 2  PO43  Ca  EDTA  PO43

llama

Ca 0

La3  Ca 2  PO43  Ca 2  LaPO3 llama

Ca 0

Ejemplo del caso Aluminio en llama de N2O / C2H2 En la nebulización de una solución de AlCl3, las gotas de 4,5 m de diámetro, disminuyen un décimo de su volumen durante 2 ms, en el interior de un quemador con llama de N 2O / C2H2 a una temperatura de cámara de premezcla de 160 oC. La desolvatación comienza en la cámara e premezcla 158

y termina en la zona de combustión primaria de la llama. La deshidratación del AlCl3 resulta en hidróxido de aluminio: 2O, HCl  AlCl 3 ( H 2 O, HCl) H  Al OH 3 AlO OH 

Y en la zona de combustión primaria de la llama se forma el óxido: H 2 O Al OH 3 AlO OH    Al 2 O3

El mecanismo de vaporización del Al2O3 puede ocurrir por dos vías posibles: la primera es la descomposición térmica sobre los 2000 0K por medio de la reacción:

 Al 2 O3 S La segunda es la evaporación física:

1  2 AlO g  O2 2

 Al 2O3 S

  Al 2 O3 g

El último camino es menos probable debido a que tanto el punto de fusión, 2345 0K como el de ebullición, 3250 0K del Al2O3 son elevados. De manera que la descomposición térmica el Al2O3, en especial la formación de la especie AlO es promovida por la atmósfera reductora de la zona primaria de combustión de la llama. De igual manera, hay dos caminos posibles para la atomización del aluminio. La primera es la descomposición térmica según: 1 AlO  Al o  O2 2

Y la segunda es la reducción por radicales carbonáceos según: AlO  C  Al o  CO

donde el carbón puede estar bajo la forma de C2, CN, CH, entre otros radicales carbonáceos. El poder reductor de la llama está representado por la concentración de estos radicales. A pesar de que estos procesos pueden ocurrir simultáneamente, el grado de descomposición térmica es relativamente menor a la temperatura de la llama debido a la alta energía de disociación del enlace Al – O (5,5 eV). De esta manera, el rol de los radicales reductores es más importante en el proceso de atomización del aluminio desde el AlO vapor. Otra posibilidad de proceso no deseado asociado a la atomización es la ionización la cual depende de la temperatura de la llama y de la energía de ionización del metal o analito. Para el equilibrio de ionización se puede escribir: 159

M g   M  g   e

K ioniz T  

C M   Ce C M Total

La intensidad de la absorción (y de la emisión) es afectada por la posición del equilibrio anterior ya que los iones no absorben la radiación de resonancia. Una medida de la ionización de un metal y por ende de la pérdida de átomos libres es el grado de ionización el cual se define como:

 ioniz 

CM  CM 0  CM 

Donde CM+ y CMo son las concentraciones de iones y átomos libres respectivamente y la concentración total es (CMo + CM+), la cual es proporcional a la concentración del metal en la llama. Considerando establecido el equilibrio térmico, el grado de ionización se puede calcular por la ecuación de Saha:

K T  2  ioniz 1 C M Total De la ecuación de Saha se deduce que la adición de un donante de electrones como el Cs, el cual pierde fácilmente sus electrones de valencia, incrementa la concentración de electrones, reduciendo la ionización del metal analito. Por el contrario la adición de un elemento de alta afinidad electrónica como el Cl- incrementará la ionización del metal. La ionización se puede producir por diferentes mecanismos como lo son la ionización por colisión, ionización por transferencia de carga y por quimioionización. Debido a la baja energía radiante, la fotoionización se puede descartar como mecanismo de ionización. La colisión se puede producir con alguna molécula o átomo excitado en la llama según:

M g   X *  M  g   e  X Una transferencia de carga puede contribuir a la ionización si en la zona de combustión existen exceso de iones con carga según:

M  g   H 3O   M   g   H 2 O  H  

M  g   C3 H 3  M   g        El último de estos procesos se sucede básicamente en llamas de hidrocarburos por lo que la ionización se sucede mucho más rápida en este tipo de llama. Más arriba de la zona de combustión la 160

ionización disminuye como resultado de las recombinaciones hasta que finalmente se alcanza el equilibrio de Saha. En la Tabla 7 se muestran la ionización en porcentaje de los metales alcalinos en las diferentes llamas utilizadas. Tabla 7.- porcentaje de ionización de metales alcalinos en diferentes llamas utilizadas C3H8/aire C2H2/aire C2H2/N2O Elemento P.I. (eV) 1900 oC 2300 oC 2900 oC Li 5,37 0,6 5,2 63,8 Na 5,12 1,1 9,0 78,9 K 4,32 9,7 48,9 98,4 Rb 4,16 14,7 85,0 99,1 Cs 3,87 30,4 95,2 99,7

En la quimioionización se toma parte de la energía de una reacción química exotérmica y el ion se forma de una reacción química en equilibrio:

M  g   OH  MOH   g   e  MO g   OH  HMO2  g   e 

MOH   g   H   M   H 2O La quimioionización está igualmente asociada a la disociación de los óxidos metálicos según:

MO g   CO  M   g   e   CO2  g  o a las reacciones de recombinación de radicales en las cuales la energía de la recombinación es utilizada para ionizar el metal que está presente como un tercer participante:

M  g   CO   O   M   g   e   CO2  g 

M g   H   H   M  g   e  H 2 g  Para llevar a cabo la quimioionización se requiere menos energía de activación en comparación con los procesos colisiónales La Excitación

Una vez formados los átomos libres se sucede la excitación la cual representa la transición electrónica de un estado cuántico de menor contenido energético a otro estado cuántico de mayor contenido energético. Por lo general el nivel de menor energía corresponde al nivel basal o de mínima energía E0 y el de mayor energía corresponde al primer nivel energético excitado, E1. 161

Los niveles energéticos están cuantizados y un átomo dado (o molécula) tiene sólo un set fijo de energías cuánticas permitidas. Cuando el electrón promovido regresa al estado basal, la diferencia de energía es emitida bajo la forma de un cuanto de luz cuya energía corresponde a la diferencia interenergética entre E1 y E0. Debido a que el esquema energético es característico de cada especie química, su espectro de absorción y emisión es característico también. Así, la longitud de la onda es la característica espectral utilizada en la determinación cualitativa mientras que su intensidad es la base del análisis cuantitativo. En la Figura 15 se muestra como ejemplo el diagrama energético del sodio simplificado con las transiciones más probables en la región visible y ultravioleta cercano.

Figura 15.- Diagrama energético del sodio simplificado con las transiciones electrónicas más probables El conocido doblete D del sodio a longitudes de onda 589, 0 y 589,5 nm se emite cuando el electrón de valencia regresa del primer estado excitado, en el orbital 3p, al estado fundamental 3s. La emisión es un doblete porque el primer estado excitado está dividido en dos niveles energéticos muy cercanos entre si debido a diferentes valores del número cuántico J ( J  1 2 ). Otras transiciones importantes son un doblete que resulta de la transición del orbital 4 p al orbital 3s a los 330,2 y 330,3 nm y otro doblete que corresponde de la transición del orbital 3 d al orbital 3p a los 818,3 y 819,5 nm respectivamente. Se pueden dar otros tipos de transiciones pero son de menor importancia desde el punto de vista analítico. La excitación de los átomos se puede llevar a cabo por tres vías o mecanismos, el primero de ellos es la absorción fotónica, el segundo es por colisión o por un proceso quimioluminiscente. En el primero de estos, la excitación se produce por absorción de un fotón h de energía adecuada proveniente de la misma llama o de una fuente externa.

162

M g0  h  M * g  M *  M 0  h La excitación colisional se produce por transferencia de energía al chocar con otra especie excitada en la llama:

M  g   X *  M * g   X La excitación quimioluminiscente se produce por una reacción química, seguida de la emisión de la radiación cuando la especie excitada se relaja al estado fundamental:

M  g   X  Y  M * g   XY M *  M  h Este proceso quimioluminiscente es común en llamas ya que la energía liberada en muchas reacciones en la llama son del mismo orden de magnitud que la energía de excitación electrónica de los átomos (2 – 8 eV). Interferencias espectrales en la llama Las interferencias espectrales se producen por varios motivos como lo pueden ser los solapamientos de características espectrales, líneas o bandas moleculares provenientes de la muestra y/o de la llama, absorción del fondo de la llama, dispersión o auto absorción. Debido a la naturaleza selectiva de la absorción, en la EAA no deberían existir solapamientos de líneas espectrales además de que se manejan solo unas pocas líneas espectrales provenientes de la LCH. Para el caso de la EEA, estas interferencias son más comunes debido a la riqueza del espectro en líneas de emisión, por lo que el solapamiento es más probable. Para que haya un solapamiento espectral la separación de las líneas debe ser menor a 0,1 nm, depende igualmente de la anchura de la fuente de fotones y de la calidad del monocromador. Sin embargo, aunque las líneas atómicas son angostas, no son rigurosamente monocromáticas a lo que se debe sumar el propio ensanchamiento de las mismas, por lo tanto, dos elementos en la llama pueden presentar líneas de absorción que se solapen parcialmente, pero este caso no es frecuente. El uso de LCH multielementos puede aumentar las posibilidades de solapamiento espectral. En la Tabla 8 se muestran algunos ejemplos de solapamiento de líneas espectrales. Tabla 8.- Solapamientos espectrales de líneas de absorción de algunos elementos  nm Cu (324,754) Eu (324,753) 0,001 Fe (271,902) Pt (271,904) 0,002 Mn (403,307) Ga (403,298) 0,009 Al (308,215 V (308,211) 0,004

163

Por su puesto que el remedio en estos casos es la utilización de instrumentos provistos de monocromadores de alta resolución, si no es el caso, siempre se puede buscar otra línea espectral que sea útil para el análisis cuantitativo, aunque esto represente una pérdida de sensibilidad. La absorción molecular se debe a compuestos moleculares formados en la llama con bandas de absorción (o emisión) que se pueden solapar con la línea analítica de interés. Entre estos compuestos se encuentran productos de la combustión como OH con una banda de emisión entre los 300 y 350 nm, la cual puede interferir con la línea del Cu a los 324,8 nm, las bandas del radical CH a 314,4 – 315,7 – 362,8 nm y 387,2 – 431,2 nm además de las bandas Swan para el C2 a 339,9 – 358,2 nm. La formación de compuestos moleculares en la llama como óxidos, hidróxidos entre otros, por ejemplo el caso del Sr que forma el óxido SrO en la llama de C2H2/aire y que presenta una banda de absorción entre 640 y 690 nm la cual interfiere con la determinación del Li a los 670,8 nm. Igualmente la determinación de Ba en presencia de Ca el cual forma en la llama CaOH que presenta una banda ancha entre 550 y 560 nm y que interfiere con la línea de resonancia del Ba a 553,6 nm. La difusión de luz se produce por la presencia de partículas sólidas o líquidas que no son desolvatadas por completo y producen una difusión de la luz incidente que se comporta como una absorción no específica. La carga mineral de la solución a analizar es importante en relación a la energía total de la fuente de atomización disponible. La absorción del fondo de la llama está representado por todas las pérdidas de radiación de la fuente que no es causada por el analito, esta se puede producir por radiación dispersa y por absorción molecular tanto de la matriz como del propio atomizador. Esta absorción no específica representa un verdadero problema ya que el detector no puede discriminar entre la absorción no específica del fondo de la llama y la absorción específica del analito por lo que se requiere sustraer ese fondo por medio de un corrector de fondo, conocido como “corrector de background”. El corrector de fondo más utilizado usa el principio de la modulación de a señal. Esta modulación se utiliza para lograr una amplificación selectiva de la señal analítica de la absorción atómica AA y eliminando la interferencia proveniente del fondo espectral continuo del atomizador y de la emisión propia del elemento que se está determinando. En la Figura 16 se muestra el esquema de los dos tipos de modulación. La parte superior de la Figura muestra la modulación mecánica y la inferior la modulación electrónica. La primera consta de un espejo en forma disco segmentado rotativo denominado “choper” y la segunda consta de una fuente de poder modulada que alimenta la LCH. En ambos casos el detector y el amplificador están sintonizados con la misma frecuencia de la modulación.

164

Figura 16.- Arriba: Modulación mecánica, abajo: modulación electrónica. En la Figura 17 se muestra el esquema general de un espectrofotómetro de simple haz con sistema de modulación mecánico. Consta de dos fuentes de radiación de espectro continuo, una lámpara de deuterio que cubre el rango ultravioleta cercano del espectro y otra lámpara de halógeno que cubre la parte visible del espectro. El choper hace que las radiaciones de la LCH y de la FC pasen alternadamente a través del atomizador. El fondo absorbe de ambas fuentes pero el analito lo hace sólo de la LCH, de manera que se mide secuencialmente la absorción atómica a la Res y la absorción no específica a partir de la FC en un dominio centrado en la Res y definido por el paso de banda del monocromador. Para una buena corrección los dos haces deben estar perfectamente alineados y superpuestos y ambos deben ser de igual intensidad. La absorción atómica a la Res es muy angosta (10-3 nm) y no afecta a la radiación continua, de manera que se puede decir que la segunda medida corresponde sólo a la absorción continua no específica. De esta manera la absorbancia corregida corresponde a la diferencia entre las dos absorbancias de ambas fuentes. La ventaja del sistema es que la corrección del fondo se realiza a la misma longitud de onda y que no es costoso sin embargo, la condición de que los dos haces deben estar perfectamente alineados no siempre se logra de manera satisfactoria por lo que el funcionamiento puede no ser perfecto. Igualmente, incrementa el nivel de ruido electrónico por el uso de dos lámparas de manera simultánea y por supuesto se requieren dos lámparas para cubrir todo el rango espectral uv visible.

165

Figura 17.- Esquema general de un espectrofotómetro de simple haz con corrector de background de fuente continua.

El horno de grafito HG El horno de grafito es un atomizador de tipo electrotérmico, que consta de un cilindro de grafito de aproximadamente 5 cm de longitud y un diámetro interno de 1 cm, el cual es enfriado con agua y bajo flujo de argón y el cual está alineado con el haz de medición. En la Figura 18 se muestra un esquema general del dispositivo electrotérmico el cual costa de un tubo de grafito pirolítico y “plataforma de L´vov” que son calentados por una fuente de alta tensión y enfriado por agua y un flujo externo de argón. Un flujo de argón interno que entra por los extremos saca el vapor atómico por el mismo orificio por donde se introduce la muestra. La vaporización y la atomización se llevan a cabo por medio de un programa de ascenso de la temperatura en cuatro etapas a tiempos y temperaturas diferentes: secado o desolvatación (25 – 120 o C, 30 s), pirolisis o descomposición (300 – 1000 oC, 1 – 5 min), atomización (1500 – 4000 oC, 5 – 10 s) y limpieza (temperatura máxima, 5 s). El conjunto del programa térmico se lleva a cabo bajo atmósfera de gas argón y el flujo del mismo se detiene en la fase de atomización para aumentar el tiempo de residencia del vapor atómico dentro del tubo. Esto se logra cuando el tiempo de la atomización es mucho menor que el tiempo de residencia, como se mencionó anteriormente. De eta manera hay una población de átomos libres del analito capaces de absorber radiación y por lo tanto se incrementa la sensibilidad, lo que a su vez permite el uso de cantidades más pequeñas de muestra. Al producirse la atomización, los átomos absorberán la radiación de resonancia obteniéndose una señal de absorción transciente cuya área (o altura) es proporcional a la masa del analito presente en la muestra.

166

Figura 18.- Esquema general de un horno de grafito. Procesos para la atomización en el HG En la Figura 19 se muestra un esquema de los procesos que involucran el mecanismo de atomización El mismo involucra procesos químicos en fase gaseosa y procesos de superficie sobre las paredes internas del tubo de grafito. Las moléculas se pueden atomizar como tales y se pueden formar compuestos intermediarios como óxidos, carburos con disociación térmica.

Figura 19.- Mecanismo de atomización en horno de grafito El carbón juega un papel importante en la reducción de algunos óxidos sin embargo, algunos elementos forman carburos refractarios que reducen la sensibilidad. Se usan tubos con recubrimientos de carburos metálicos para la atomización la atomización de los formadores de 167

carburos. Superficies de MoC, Ta4C5, ZrC y La3C4 reducen el contacto del analito con la superficie del grafito. Los haluros metálicos se pueden disociar del haluro gaseoso o de una molécula intermedia:

En el caso de la formación de óxidos metálicos antes de la disociación, las posibles reacciones son: a)

La evaporación y disociación del óxido en fase gaseosa:

MOs   MO g  MOs   MO g   M g0  1 O2 g  2 b) La disociación térmica del óxido sólido

MOs   M  g   1 O2 g  2 c) Reducción del óxido sólido por acción del grafito

MOs   Cs   M  g   CO g  d) Formación de carburo estables:

MOs   2Cs   MCs   CO g  En el caso de la determinación de aluminio, usando Ar como gas de arrastre, el óxido es reducido a carburo por el grafito

Al 2O2 s   9Cs   Al 4C3s   6CO g  Si se usa N2 como gas de arrastre puede haber la formación de CN y cianamidas de aluminio a temperaturas mayores de 1800 oC. Inclusive si se usa argón como gas de arrastre, el nitrógeno puede estar presente como impureza.

2Cs   N 2  CN 2  g 

2 Al  g   CN 2 g   2 AlCN  g 

AlO g   CN 2 g   AlNCN  g   CO

También puede tener lugar la formación del dihidróxido de aluminio según: 168

AlOad   H 2O g   Al OH 2  g  Las reaccione que tienen lugar en fase sólida son dependientes de la velocidad de calentamiento empleada en la atomización, en cambio, las reacciones de disociación en fase gaseosa depende principalmente de la temperatura del gas inerte y del equilibrio térmico con la superficie del grafito. Programa térmico y señal de absorbancia En la Figura 20 se muestra el programa básico de temperaturas. En el paso de la pirolisis se puede eliminar previamente la matriz de la muestra, evitando así posibles interferencias químicas ocasionadas por esta (Pansu et a, 1998). Este programa de atomización debe ser estudiado previamente para cada tipo de muestra y analito a fin de encontrar las temperaturas óptimas de descomposición de la matriz, TD y de atomización del analito, To. Temperatura oC

Limpieza máxima temperatura

Atomiza

ción

4000

Secado

1000 ró Pi

Flujo de Ar = 0

is

lis

Eliminación de la matriz

100 0,5

5

5,5

Tiempo min

10 segundos

Figura 20.- Programa de temperaturas para el horno de grafito La necesidad de una alta velocidad de atomización surge del modelo que intenta explicar el perfil de la señal transciente que se produce en el proceso de atomización y transporte de los átomos hacia y desde el Horno de Grafito. En la Figura 21 se muestra la forma teórica de una señal transciente de absorbancia en función del tiempo, en la misma se puede observar el período de atomización (1), la altura del pico (2), el período de difusión (3) y el fin del ciclo de calentamiento (4). L´vov desarrolló un modelo simplificado para explicar la dependencia de la población atómica con el tiempo de residencia en el volumen de absorción, VA. . Cuando se introduce la muestra en el horno al comienzo del ciclo de secado – descomposición – atomización, se tiene una variación de la concentración de los átomos en el VA, en función del tiempo; por tal motivo la señal tiene la forma de un pico abrupto en su ala izquierda y un decaimiento asintótico en el ala derecha

169

Figura 21.- Señal transciente para la medición de absorbancia con HG. 1: atomización, 2: altura de pico, 3: difusión. 4: fin de ciclo, t1: tiempo de atomización y t2: tiempo de residencia. El cambio en el número de átomos N en el VA con el tiempo t estaría dado por:

dN  n1 t   n2 t  dt Donde n1 t  es el número de átomos que entran al VA por unidad de tiempo y n2 t  es el número de átomos que salen de VA por unidad de tiempo y

n1 t  

N0

1

y

n1 t  

N0

2

Sustituyendo en la ecuación diferencial del modelo de L´vov

dN N 0 N 0   dt 1  2 donde N0 el número total de átomos del elemento analito contenido en la totalidad de la muestra y N es el número de átomos en la celda al momento t, 1 la duración de la volatilización total, o el tiempo requerido para que N0 sea desplazado del VA y 2 el tiempo de residencia. Esta es una ecuación diferencial que se integra para dar los valores instantáneos de N cuya expresión depende de que si el tiempo t considerado es mayor o menor que 1.

Suponiendo una volatilización constante y un proceso de difusión constante y uniforme , el número de átomos N a cada instante estará representado por: Si t   1 :

N  N0 

t  2   1  e   1   2

170

Si t   1 :

N  N0 

2 1

 t 1  1    2  1  e  2   e  

El número de átomos será máximo cuando la muestra es atomizada, es decir cuando t   1

N max

  N0  2 1

 1    1  e  2   

Si se hace una volatilización rápida, es decir que  2   1 se tendrá que:  1    1  e  2   1   2

De donde entonces.

N max  N 0 Si VA y 2 son constantes, entonces hay una relación directa entre el número de átomos en el instante t y la Absorbancia, A, en dicho tiempo y en consecuencia:

A  KN 0 El modelo muestra que es importante el gradiente de temperatura durante la atomización, es decir que la velocidad de incremento de la temperatura por unidad de tiempo durante la atomización debe ser lo más alta posible. Estudio del Programa Térmico En la Figura 22 se muestra el estudio para la determinación de las temperaturas mínima y máxima de descomposición de la matriz (curva I) y de la temperatura óptima de atomización (curva II). En la curva I, la temperatura Tm marca el comienzo de la descomposición y por debajo de esta, el calentamiento es insuficiente para destruir la sustancia. Si TD  Tm la volatilización es incompleta, si Tm  TD  TM la volatilización es total y la absorbancia es máxima, si TM  TD empiezan a haber pérdidas por volatilización durante la descomposición, ocasionando absorciones no específicas. En la curva II, la temperatura óptima de atomización T0 corresponde a la descomposición total de la molécula en átomos libres. Por encima de ese valor la sustancia está atomizada y la absorbancia es máxima, pero por debajo de la misma, el calentamiento es insuficiente para producir una atomización eficiente y la absorbancia disminuye. De esta manera, las condiciones óptimas están dadas por los rangos de temperatura siguientes: 171

TDesc  TM

TA  TO

Absorbancia

Curva de descomposición

Curva de Atomización

II

I m

O

M

Atomización completa

Tm Volatilización completa

T0

TM Pérdidas por volatilización

Temperatura

Atomización incompleta

Figura 22.- Estudio del programa térmico. Curva I: Se mide la variación de A variando la temperatura de descomposición y manteniendo constante la temperatura de atomización. Curva II: Se mide la variación de A variando la temperatura de atomización y manteniendo constante la temperatura de descomposición.

En la Figura 23 se muestra las curvas de descomposición y de atomización para el plomo en medio nítrico (HNO3 1%). Se observa que la temperatura óptima de atomización en el caso de la forma nítrica es 1800 mientras que la temperatura de descomposición es de máximo 450 oC.

1a

Absorbancia

1d 0,10

2a 2d 0,05 4500 C 18000 C

500

Descomposición

1000

1500

2000

2500

Atomización

TDesc  450 0 C TA  1800 0 C Figura 23.- Estudio de las temperaturas de descomposición y atomización para el plomo. Curvas 1d y 2d: secado: 20 s a 100 oC, descomposición: 1 min a T variable, atomización: 6 s a 1950 oC. Curvas 1ª y 2ª: secado 20 s a 100 oC, descomposición: 1 min a 450 oC, atomización: 6 s a T 2a: Pb

172

Interferencias Químicas en HG Las interferencias químicas en el HG son minimizadas por un estudio riguroso del programa de temperaturas para cada especie, tomando en cuenta la volatilidad del elemento y de la matriz. Como regla general se dice que es más fácil determinar un analito refractario en una matriz volátil que un analito volátil en una matriz refractaria. Este último caso merita el uso de “modificadores de matriz” los cuales pueden convertir al analito volátil en un compuesto refractario o modificar la matriz refractaria para hacerla más volátil (Bermejo et al, 1994). Se busca con este procedimiento que las volatilidades del analito y la matriz sean lo suficientemente diferentes como para permitir su separación durante el pretratamiento. Por ejemplo, el NH4NO3 se usa para formar compuestos más volátiles con los constituyentes de la matriz, particularmente haluros, ayudando a eliminar especies interferentes durante la descomposición. Si la muestra tiene altos contenidos de NaCl (Peb = 1413 oC) se aumenta la volatilidad agregando el nitrato de amonio:

NaCl  NH 4 NO3  NH 4 Cl  NaNO3 TD  2100 C

TSublim 3350 C

TD 3800 C

Sea el ejemplo de la determinación de plomo en matrices biológicas. Este elemento es lo suficientemente volátil y puede haber pérdidas desde la etapa de pirólisis. Sin embargo el mismo se puede estabilizar por el uso de NH4H2PO4: C C PbHPO4 350   Pb2 P2 O7 930   Pb 0 o

0

El uso del modificador de matriz permite el empleo de temperaturas más altas en la etapa de la pirólisis, reduciendo la volatilidad del plomo. De igual manera, para elementos más volátiles como Hg, As, Se, Te, Cd se usan el Ni y el Pd como modificadores de matriz. Horno de Grafito con Plataforma de L´vov El HG es una celda en la cual la muestra vapor está parcialmente confinada en el volumen del horno. Si la muestra se coloca sobre la pared del tubo, los distintos componentes de la muestra se vaporizan a medida que se calienta la pared. Pero la temperatura y la velocidad a la cual se vaporiza el analito dependen de la forma química del mismo. Aún en calentamientos rápidos existen diferencias de temperatura de algunos cientos de grados entre la pared del tubo de grafito, que está más caliente, y la fase gaseosa que está más fría, en las etapas tempranas de la atomización. Los átomos liberados de la pared del tubo, a medida que la temperatura de atomización es alcanzada, entran a la fase gaseosa que se encuentra más fría y que se encuentra en franca expansión, ver Figura 24. Esto puede causar interferencias en la fase gaseosa, especialmente formación de moléculas con los componentes de la matriz.

173

Figura 24.- Lado izquierdo muestra en contacto directo con la pared del tubo de grafito, lado derecho muestra sobre la plataforma de L´vov. Por otro lado, la rápida expansión del gas puede provocar pérdidas de átomos que pueden ser removidos del horno por convección. Un menor tiempo de residencia de los átomos en el horno se traduce en una disminución de la sensibilidad. L´vov propuso que los átomos, independientemente de su forma química, se deben volatilizar hacia un ambiente que se encuentre en equilibrio térmico y propuso el uso de una plataforma de grafito pirolítico, que lleva su nombre “Plataforma de L´vov” sobre la cual se coloca la muestra, en lugar de colocarla directamente sobre la pared del tubo. De esta manera se reduce el contacto y la muestra es calentada por radiación desde las paredes del tubo, ver Figura xx. Esto retarda la vaporización hasta tanto la pared del tubo y el gas estén en equilibrio térmico. Por su puesto, para alcanzar el equilibrio térmico el flujo de gas debe detenerse En la Figura 25 se muestran las curvas de equilibrio térmico dentro del horno. Una muestra colocada en el tubo es atomizada cuando la temperatura del gas es menor (-T) y está cambiando rápidamente. Sin embargo, una muestra colocada en la plataforma es atomizada cuando la pared del tubo y el gas han llegado a una temperatura final constante.

Figura 25.- Curvas de equilibrio térmico en el horno con la plataforma de L´vov. A: temperatura de la pared del tubo, B: temperatura del gas, C: temperatura de la plataforma.

174

Otras interferencias Las ventajas del uso de la plataforma están en que mejora la reproducibilidad, alarga la vida útil del tubo y elimina algunas interferencias. Al momento de la volatilización, la temperatura del gas es mayor, lo que favorece la disociación molecular, disminuyendo las interferencias en la fase vapor. Un mal contacto del analito con el gas caliente y condensación sobre áreas más frías del tubo, esto se debe a los gradientes de temperatura lo que se corrige con la plataforma de L´vov. Formación de carburos y nitruros si hay impurezas de N2 en el Ar y los efectos de memoria producidos por volatilización incompleta fenómenos de adsorción o limpiado insuficiente, ver Figura 26.. Esto se remedia con tubo de grafito de alta densidad, tubo de grafito pirolítico o con recubrimiento de carburo. Estos minimizan la adsorción del analito y presentan resistencia al ataque ácido y reduce la formación de carburos refractarios.

Figura 26.- Fenómeno de adsorción desorción del analito vapor sobre la superficie del grafito. Interferencias espectrales La absorción del fondo o absorción no específica, constituye uno de los problemas más serios en el uso del HG y se debe principalmente a la aparición de absorción molecular no específica, dispersión, emisión del atomizador caliente, entre otras. La emisión del grafito incandescente es una radiación continua que afecta al TFM y deteriora la relación S / R. Igualmente, la dispersión originada por partículas sólidas suspendidas y la formación de especies moleculares. Entre los remedios a estas interferencias está en primera línea la corrección de fondo, la reducción del tamaño de la muestra, aumentar tiempo y temperatura de Pirólisis, incrementar flujo de gas y una atomización a máxima potencia. En la Figura 27 se muestra un esquema general de un espectrofotómetro de simple haz con corrector de fondo de “fuente continua” utilizado igualmente en las mediciones de EAA con llama. Como se explicó anteriormente al tratar la llama como atomizador, esta técnica de corrección de fondo consiste en medir alternativamente la absorción atómica a partir de la l res y la absorción no específica a partir de una lámpara de espectro continuo, en un dominio espectral centrado en la l res y definido por el ancho de las rendijas del monocromador. Siendo esta muy superior a la línea de absorción analítica, se puede admitir que la segunda medición corresponde solo a la absorción continua (no específica). 175

Como fuente continua se utiliza una lámpara de deuterio la cual emite un espectro entre los 200 y 350 nm correspondiente a la región ultravioleta y otra de halógeno para cubrir la región visible 390 750 nm. Ahora, para tener una corrección de fondo efectiva, los dos haces deberían tener la misma intensidad y ser geométricamente superpuestos en la zona de absorción, lo es que verdaderamente difícil.

Figura 27.- Esquema de un Espectrofotómetro de AA con corrector de fondo de fuente continua. Aplicaciones especiales La espectroscopia atómica es capaz de determinar una treintena de elementos metálicos de manera relativamente fácil y para los cuales las condiciones operacionales ya están descritas en los manuales. Sin embargo existe un cierto número de elementos para los cuales ninguno de los atomizadores es del todo eficiente y para los cuales se han desarrollado aplicaciones especiales para su determinación a niveles de trazas con exactitud y mejor límite de detección. Tal es el caso del mercurio y el arsénico (así como el selenio, plomo, cadmio) los cuales son importantes, especialmente a nivel ambiental. En estos casos las llamas habituales no tienen la sensibilidad adecuada y son extremadamente volátiles, lo que representa un problema para sus determinaciones con el horno de grafito. Deshidratador

Reducción

Muestra Hg II

SnCl2, HCl

- H2O P0

Hg0

N2

Celda de Absorción  = 253,7 nm

Hg0

P

h

h

Hg0

-H2O Deshidratador

Soln. SnCl2

Soln. Hg+2

Figura 28.- Sistema de vapor frío para la determinación de mercurio. 176

En la Figura 28 se muestra el caso de la determinación de mercurio por absorción atómica utilizando la técnica del “vapor frío” (Skoog et al, 2001). En la misma, el Hg+2 es reducido a Hg0 (fase vapor) por medio de SnCl2 en medio ácido y los vapores fríos de mercurio son arrastrados por un flujo vector de N2 hasta la celda de medición, la cual se encuentra a temperatura ambiente. Muestra Hg II

Reducción

Deshidratador

Hg0 - H2O

SnCl2, HCl

P0

Hg0

N2

Celda de Absorción  = 253,7 nm

Malla de Au o Pt

P

h

h

Hg0

-H2O

Au

Deshidratador

Malla de oro 500 oC Soln. SnCl2

Soln. Hg+2

Preconcentrador

Figura 29.- Sistemas para determinación de mercurio por el método de vapor frío. Si la concentración de mercurio es muy baja se puede utilizar una malla de oro para preconcentrar el mercurio, después del deshidratador (Figura 29). El mercurio se amalgama con el oro y luego es liberado por calentamiento electrotérmico y conducido a la celda de medición por el gas vector. Un sistema similar mostrado en la Figura 30 es utilizado en la determinación de arsénico (y selenio) por la técnica de la “generación de hidruros”, la cual es aplicable a los elementos de los grupos IV, V y VI de la Tabla Periódica. (Castillo y Fernández, 1990) El hidruro se obtiene haciendo reaccionar una solución ácida del elemento con una solución de borohidruro de sodio, NaBH4, y es transportado hacia el atomizador por una corriente de N2. Como atomizador se usa una celda de cuarzo calentada eléctricamente.

2BH 4  2H   6H 2 O  2H 3 BO3  16H  M  MH n  H 2 exceso  n

Ante otros reductores, el borohidruro de sodio presenta un menor tiempo de reacción, mayor eficiencia en la producción de hidrógeno naciente y es fácil de introducir en el vaso de reacción sin embargo, sus soluciones son inestables y deben usarse en medio alcalina (2 % NaOH) y conservar a 4 o C durante máximo 2 semanas.

177

Celda de Absorción  = 193,7 nm AsH3

N2

AsH3

P0

Soln. NaBH4

Soln. As+3

P

h

Trampa fría de N2 líquido

h

Atomizador de llama

Celda de cuarzo calentada

P0

LCH

P

h

h

Monocromador Fuente de poder

N 2 , Ar

Generador de Hidruro

Detector

Procesamiento y registro

Figura 30.- Determinación de As por generación de hidruros Plasma ICP Para el caso de la espectroscopia de emisión atómica, los atomizadores utilizados son la llama de difusión o de premezcla, el arco o la chispa eléctrica y más recientemente el plasma de argón de inducción acoplado ICP. Las llamas como fuentes de atomización y excitación en emisión atómica han quedado para su aplicación en fotómetros de llama en la determinación de elementos alcalinos y alcalino térreos, los cuales son fácilmente atomizados y excitados por las llamas de C3H8 o C2H2/ aire. Durante mucho tiempo fueron utilizados el arco y la chispa eléctrica como atomizadores y medio de excitación electrónica (Jarrell, 2000) sin embargo, con el surgimiento del plasma ICP, su utilización se ha reducido al campo de la industria metalúrgica, donde se requiere conocer con rapidez la composición de la mezcla metálica antes de vaciarla del horno de fundición. El plasma de inducción acoplado ICP con argón es el atomizador más eficiente para muchos tipos de muestras ya que su elevada temperatura (7000 0K) permite una atomización (y ionización) y excitación electrónica más eficientes y libre de interferencias químicas debido al ambiente químico inerte. Este plasma consiste en una mezcla en equilibrio de átomos e iones de argón y un número equivalente de electrones para conservar la electroneutralidad (Trassy y Mermet, 1984): Ar  e   Ar   2e 

178

ne   nAr 

La fuente de radiofrecuencia se acopla por medio de una bobina de inducción que rodea la antorcha del plasma y por donde pasa una corriente alterna que induce un campo electromagnético oscilante en la zona de la bobina. Los electrones sembrados se captan en la zona de la bobina de inducción y son acelerados por el campo electromagnético, de donde absorben energía. Por medio de la ionización secundaria de los átomos de argón crece la densidad electrónica y tiene lugar un calentamiento de la mezcla gaseosa transformándose a estado de plasma (Cordos, 2007). En la Figura 31 se muestra una sección transversal del plasma donde se señalan las diferentes regiones del mismo y las temperaturas.

Figura 31.- Sección transversal del plasma y las diferentes regiones del mismo con las temperaturas. En la base, la descarga es toroidal y esta zona se le denomina zona de inducción, ya que aquí es donde tiene lugar la transferencia de energía de la bobina al plasma. Dentro de la zona toroidal está la zona de precalentamiento y sobre esta está la zona de uso analítico de donde se miden las intensidades de emisión de los átomos des excitados. En la Figura 32 se muestra el ensamble general de un espectrómetro de EE. La muestra es introducida al plasma por medio de un flujo independiente de argón el cual se usa para nebulizar la solución y transportar el aerosol a la zona de atomización en el plasma. Los procesos que ocurren en el plasma una vez que la muestra es introducida por medio de la nebulización son similares a los procesos en la llama.

179

Zona analítica 7000 K

Plasma ICP

h

0,6  1,5kW 27  57MHz

Monocro cromador Bobina de inducción

Generador de Radiofrecuencia

h

Detector

Display

Antorcha

Ar

12  20l

min

0  2l

min

0,5  2l

Bomba peristáltica Muestra

min

Nebulizadordor

Desecho

Figura 32.- Funcionamiento del Plasma ICP

Atomizador Plasma ICP En la Figura 33 se muestra el esquema de un sistema de nebulización y atomización con antorcha ICP. El sistema es muy similar al sistema de nebulización atomización para espectrofotómetros de absorción atómica con llama en el sentido que está conformado por el acoplamiento de varias piezas como lo son el nebulizador neumático que es alimentado por medio de una bomba peristáltica que succiona la muestra y la introduce a la cámara de premezcla a través de un capilar y bajo un flujo de gas Ar de entre 0,5 a 2 l min-1.

Figura 33.- Sistema de atomización con antorcha ICP 180

La cámara de premezcla posee una inclinación para permitir un buen drenaje de las gotas mayores del spray de manera que al plasma sólo entre la niebla más fina a fin de garantizar la estabilidad del plasma. Como se ve, esta cámara de premezcla tiene la misma función que en el caso del quemador con llama. Temperatura del plasma En una fuente de emisión clásica podemos definir un solo tipo de temperatura dada por la temperatura cinética de las partículas, que a la final es la misma. En el caso de un plasma se definen varios tipos de temperaturas dependiendo del fenómeno asociado. En la Figura 34 se señalan las diferentes zonas del plasma y sus temperaturas asociadas.

Figura 34.- Temperaturas de las diferentes regiones en un plasma ICP La temperatura cinética, TC está asociada al movimiento de las partículas cuyas masas se pueden relacionar con la velocidad media de Maxwell:

EC 





1 m  v 2  KT 2

En base a esta expresión se pueden definir la temperatura electrónica, Te-, la temperatura iónica, Ti, la temperatura atómica, Ta y la temperatura molecular, Tm. La temperatura cinética de las partículas será la misma si asumimos una transferencia eficiente de energía cinética en el plasma. Sin embargo, la masa del electrón es muy pequeña, no distribuye bien su energía a las partículas más pesadas de manera que la temperatura electrónica sea diferente de la temperatura del resto de las partículas. Cada especie química en el plasma puede encontrarse en diferentes niveles energéticos con respecto al estado fundamental. En el equilibrio termodinámico, la fracción de átomos excitados en un nivel dado relativo al número total de átomos NT está dada por la relación de Boltzman:

181

N*  e  Eexcit NT

KTexcit

donde Eexcit y Texcit son la energía y temperatura de excitación respectivamente y K es la constante de Boltzman (1,38 x 10-16 erg oC-1). Igualmente se establece un equilibrio de ionización que está caracterizado por la ley de Saha y el cual se puede caracterizar por una expresión análoga a la anterior:

A  A  e  N ion  e  Eion N atom

KTion

donde Eion y Tion son la energía y temperatura de ionización respectivamente. En el plasma ICP se puede escribir la expresión que compara las temperaturas en el mismo:

TC  Texcit  Tion  Te TC  Texcit 5000  6000o K Tion  7500 o K Te  10000 0 K La temperatura útil del plasma para uso analítico en zona de observación es de unos 7000 K muy superior a los máximo 3000 K que ofrecen las llamas habituales. A esta temperatura se reducen las interferencias químicas encontradas en la llama, así como en el HG, debido a la completa disociación de todas las especies moleculares que entran en el plasma y mejora el proceso de excitación. Igualmente la atmósfera inerte minimiza la formación de compuestos como óxidos, carburos, entre otros Procesos de atomización en el Plasma Los mecanismos de atomización en un plasma ICP son muy similares a los procesos de atomización en la llama, con la diferencia que el plasma es un medio inerte el cual no promueve procesos químicos colaterales en el medio del plasma. Por otro lado, las altas temperaturas permiten vaporizaciones y atomizaciones con un mayor rendimiento que las llamas usuales pero igualmente estas altas temperaturas promueven ionización de las especies. En la Figura 35 se muestran los procesos por los cuales pasa la muestra en solución una vez que entra al plasma.

182

Figura 35.- Mecanismo de atomización en plasma ICP Una vez que la muestra llega al plasma bajo la forma de aerosol líquido, la alta temperatura del mismo remueve el solvente por evaporación, funde y /o vaporiza las partículas sólidas de la sal y libera los átomos por disociación. Estos procesos se suceden básicamente en la zona de precalentamiento. Una vez que el aerosol ha sido desolvatado, vaporizado y disociado, la energía del plasma puede producir la atomización así como la ionización y la excitación térmica de los mismos. Una vez que los átomos son liberados, estos son excitados por mecanismos muy diferentes a los mecanismos de excitación en las llamas. Mecanismos de excitación en plasma Los mecanismos de excitación y ionización en el plasma se deben a las colisiones con electrones y iones Ar+ energizados están involucradas en el proceso de excitación. El inventario de especies químicas en el plasma muestra electrones, iones Ar+, átomos Aro tanto en estado fundamental como en estado excitado y moléculas como Ar2, Ar2* y Ar2+. Los electrones sirven para crear el plasma aportándoles energía de la antena de radiofrecuencia (16 eV):

e   Ar o  16eV  Ar   2e  Es necesario que la energía cinética sea igual a la energía de ionización del átomo de Ar (16 eV). Una vez obtenida la ionización se puede producir la reacción inversa:

e   Ar   Ar   hcontinuo500nm además de la desactivación radiativa:

183

Ar   Ar 0  hlínea Una vez que la especie metálica M es atomizada en el plasma, será excitado y ionizado según los siguientes mecanismos:

e  M o  M   e e   M o  M   2e  e   M   M *  e  El rol de los electrones es la creación del plasma en la zona periférica, mientras que la introducción de la muestra se hace por la parte central por lo que la excitación por medio de electrones energizados debe ser sólo una contribución. La densidad electrónica en el plasma es de 1020 a 1021 e-/m3 lo que tiene una influencia sobre el bajo nivel de ionización. Los iones Ar+ se pueden desactivar bien sea por la vía radiativa en varias etapas o por colisión y contribuir a la excitación de otras especies en el plasma:

Ar   M  Ar  M *  E El ion Ar+ dispone de una energía potencial de unos 16 eV y para que esta reacción pueda darse, E tiene que ser menor a 2 eV, es decir que la suma de la energía de ionización y excitación de la especie M debe ser igual o mayor que 14 eV. Se excitarán por lo tanto los niveles superiores y los niveles inferiores se obtienen por desactivación radiativa. En la Figura 36 se muestra que los átomos de argón regresan a uno de cuatro primeros niveles excitados, dos de los cuales llamados niveles de resonancia permiten una desactivación radiativa hacia el estado fundamental, pero de los otros dos, llamados metaestables, la desactivación radiativa está restringida por factores cuánticos de manera que la única posibilidad de desactivación es la vía colisional. Debido a la restricción cuántica para la desactivación radiativa, estos estados metaestables (11,71 eV y 11,55 eV) tienen un tiempo de vida de aproximadamente 1 s, en ausencia de colisiones, lo que es muy largo en comparación con el tiempo de vida de un estado excitado que ronda los 10-8 s. De manera que estos niveles colisionales son un reservorio de energía importante ya que su densidad de población es aproximadamente 1012 Arm/cm3, comparable con la de los electrones e iones Ar+ La reacción de excitación anterior es posible cuando la suma de las energías de ionización y excitación es menor que la energía de los estados metaestables. En resumen, sólo tres tipos de partículas juegan un papel importante en el plasma: -

Los electrones (0 – 30 eV) Los iones Ar+ (15,76 eV) Átomos de Ar excitados en los niveles metaestables (11,55 eV y 11,71 eV) 184

Figura 36.- Diagrama energético del argón1 = 106,7 nm,2 = 104,8 nm,3 = 394,9 – 470,2 nm, 4 = 667,7 – 1148,8 nm,5 = 919,5 – 2031,7 nm, 6 = 591,2 – 907,5 nm,7 = 1095,0 – 2313 nm

Ar *  Ar m  M *  h Ar m  M  Ar o  M *  e  M *  M   h Interferencias en EEA Plasma ICP La EEA Plasma ICP está sujeta básicamente a las mismas interferencias que cualquiera de las otras técnicas espectroscópicas en llama (u HG) discutidas hasta los momentos ya que los procesos de atomización son similares hasta el momento de la excitación. Las interferencias físicas están relacionadas a los problemas de la nebulización y el transporte del aerosol. Sin embargo, las interferencias químicas, tal como las conocemos en las llamas, no existen debido al ambiente inerte del plasma constituido básicamente de átomos e iones de argón y electrones. La ionización de analitos metálicos, frecuente en llamas, es inhibida en el plasma ICP debido a la saturación de electrones en el medio del mismo. Lo que si representa un problema serio para la EEA Plasma ICP es la riqueza espectral que se obtiene de los átomos (líneas I) y de los iones (líneas II) excitados, la cual aumenta la posibilidad de solapamiento espectral. Se pueden presentar tanto solapamiento de líneas espectrales, como solapamiento de líneas con bandas espectrales que a su vez pueden ser solapamientos parciales o totales. Igualmente, el fondo espectral del plasma se debe tomar en cuenta para su corrección. La superposición de líneas espectrales se agrava a causa del ensanchamiento de las mismas. Debido a las altas temperaturas alcanzadas en el plasma ICP el ensanchamiento de las líneas puede ser importante. Las causas de estos ensanchamientos ya han sido discutidos al principio del capítulo. 185

Las líneas del Ar están sistemáticamente presentes sin embargo, son pocas y están ubicadas y no existen líneas por debajo de los 300 nm que es la zona espectral donde se ubican la mayoría de las líneas analíticas sensibles. La introducción de soluciones acuosas en el plasma conduce a la formación de átomos de H y radicales OH. El espectro del H presenta pocas líneas y son bien conocidas (480,1 – 434,0 – 410,2 y 397,0 nm) sin embargo, los radicales OH emiten un espectro de vibración rotación muy importante y la principal cabeza de banda está situada a los 360 nm y algunas líneas analíticas están situadas en esta vecindad. El aire circundante en contacto con el plasma puede ocasionar la emisión de bandas del N2, N2+ y NO las cuales están situadas entre los 200 y 300 nm El monocromador El monocromador utilizado en espectroscopia de EA se muestra en la Figura 37 y básicamente es el mismo explicado anteriormente para el espectrofotómetro de absorción molecular uv – visible, con la diferencia de que el mismo debe poseer un poder de resolución mayor debido justamente a la riqueza espectral que debe resolver. El mismo es un montaje Zserny Turner, con red de difracción plana para instrumentos de tipo secuencial.

1 , 2 ,......., n eff (Pureza espectral)

Rendija entrada variable

Espejo colimador

Red de difracción 

 nominal

Espejo focalizador

Rendija salida variable

Figura 37.- Monocromador Zserny Turner para espectrofotómetros y espectrómetros uv visible Detectores El detectores fotónico más utilizado es el tubo fotomultiplicador, tanto para los espectrofotómetros de absorción atómica como para los espectrómetros de emisión atómica clásicos de barrido secuencial. Su amplio rango dinámico lineal y sensibilidad, conjuntamente con el hecho de que convierte la señal óptica directamente en una señal electrónica, han hecho del tubo fotomultiplicador el sistema de detección por excelencia para propósitos espectroquímicos generales. Los detectores multicanal como el arreglo de diodos o detectores DTC o DCC (Jones, 1985) son utilizados en espectrómetros de emisión atómica simultáneos conjuntamente con un polycromador (Figura 31). Estos dispositivos permiten la detección simultánea de un número significativo de elementos y debido al tamaño tan pequeño de los diodos se pueden realizar arreglos de hasta 2000 diodos en una sola línea. 186

Para el caso de la espectroscopia de absorción atómica el espectro que se maneja posee pocas líneas y las posibilidades de interferencias espectrales son bajas, por lo que este poder de resolución del monocromador no es tan importante. Sin embargo, para el caso de la emisión atómica en plasma ICP, el poder de resolución del monocromador es muy importante debido a la riqueza del espectro obtenido. El gran número de líneas del espectro de emisión incrementa la posibilidad de interferencias espectrales, por lo que líneas separadas por una distancia de 0,001 nm o menos deben poder ser resueltas. Esto se obtiene con el uso de redes de difracción planas con un mayor número de ranuras por milímetro. Las redes holográficas pueden llegar a tener hasta 6000 líneas por milímetro (Jobin Yvon, 1982). Fuente de Alta frecuencia

Ar

Atomizador Plasma ICP

Sistema de detección multicanal

Polycromador

Display

Nebulizador Muestra

Red cóncava



crom

átic

o

Círculo Rowland

haz

poli

1 2 3

4

Display

Rendija de entrada Arreglo de Diodos

Figura 38.- Esquema de un espectrómetro de emisión atómica simultáneo En la Figura 38 se muestra el esquema de un espectrómetro simultáneo. En este caso el monocromador se cambia por un policromador cuyo elemento dispersor es una red cóncava la cual dispersa la luz y además focaliza la radiación sobre un plano focal ubicado sobre un círculo llamado círculo Rowland cuyo radio es la mitad del radio de curvatura de la red. En el mismo no son necesarios los lentes y espejos colimadores. Sin embargo, el dominio espectral de este policromador es menos extendido que en el caso de un monocromador convencional e incrementarlo implica el incremento del solapamiento espectral. Por otro lado, para grandes ángulos de difracción las aberraciones ópticas empiezan a ser importantes. Este tipo de espectrómetro no se encuentra disponible en el mercado, debiendo ser encomendado a la medida a algunos de los fabricantes conocidos como Jobin Yvon. Las longitudes de onda son seleccionadas según los requerimientos del cliente. 187

En la Figura 39 se muestra un esquema general de un espectrómetro simultáneo con detector multicanal topo DCT o DCC.

Figura 39.- Espectrómetro de Emisión atómica simultáneo con detector multicanal Acoplamientos FIA- EAA/EEA Las técnicas FIA de introducción de muestras pueden ser aplicadas tanto para la EAA como para la EEA ICP para el mejoramiento de la productividad y la eficiencia analítica (Ruzicka y Hansen, 1975). En la Figura 40 se muestra el dispositivo FIA más sencillo de introducción de muestra. La bomba peristáltica garantiza un débito constante de la solución vector (independientemente de la viscosidad) e inyecciones discretas y reproducibles de muestra se realizan por medio de una válvula accionada manualmente o electrónicamente. Se puede automatizar la introducción de las mismas por medio de un “carrusel automuestreador” con brazo robótico sincronizado, por medio de un gestor informático, al sistema de detección y medición. Figura 41. Muestra

ml  min 1

40  300l

Soln. vector Reactivos Nebulizador

Bomba Peristáltica

Válvula de Bobina de reacción inyección

Figura 40.- Acoplamiento dispositivo FIA – EAA / ICP

188

Gases

Atomizador

Carrusel automuestreador

Gestión informática

Soln. vector

Nebulizador Bobina de reacción

Bomba Peristáltica

Sist. detección y medida

Atomizador

Gases

Válvula de inyección

Figura 41.- Sistema FIA con carrusel automuestreador para EAA y EEA / ICP Evaluación de la espectroscopia atómica La espectroscopia atómica, (EAA y EEA-ICP) es ampliamente aplicada en el análisis elemental. Una evaluación de estas técnicas implica analizar no sólo las características analíticas de la técnica sino también las propiedades de la muestra y las propiedades del sistema analítico en sí mismo. Entre las características analíticas más importantes están la exactitud, precisión, sensibilidad, selectividad, límite de detección así como rango de linealidad de la calibración, número de elementos determinables y tiempo y costo del análisis. De estas depende una correcta elección en el caso de un análisis elemental dado. (Mermet, 1992). Interferencias Las interferencias son de naturaleza física, química o espectral y modifican la intensidad de la línea espectral que se mide. Las interferencias físicas son causadas por la variación de una propiedad física de la muestra o por la alteración de los procesos físicos involucrados como la aspiración, nebulización, transporte, desolvatación, etc. (Skoog et al 2001). En este caso, las propiedades físicas de la muestra más importantes son la viscosidad, densidad, tensión superficial, presión de vapor, contenido de sales, etc. Este tipo de problema es típico de las técnicas de llama y plasma ICP ya que estas requieren de la aspiración y nebulización de la muestra en solución así como su transporte hacia el atomizador. En el caso de la EAA con horno de grafito, este tipo de interferencia no es problema ya que la muestra se coloca directamente dentro del horno. Las interferencias químicas están relacionadas con las reacciones químicas que puede sufrir el analito en su curso hacia y durante la atomización. De esta manera, el analito podría combinarse con otra especie tanto en fase condensada como en el atomizador. Las técnicas de llamas están sujetas a este tipo de problemas donde puede haber la formación de óxidos refractarios difíciles de disociar a las temperaturas de las mismas (caso Al2O3) (Pansu et al, 1998). 189

Sin embargo, este tipo de interferencia está ausente en el plasma ICP, debido a las altas temperaturas capaces de disociar estos compuestos. Igualmente, en los métodos de llama pueden ocurrir procesos de ionización que afectan la población de átomos neutros. En el plasma ICP, la ionización es inhibida por la alta concentración de electrones en el medio. Las interferencias espectrales son causadas por el solapamiento parcial o total de líneas o bandas espectrales, provenientes de otras especies o de la misma fuente de atomización. (Trassy y Mermet, 1984) La naturaleza selectiva de la absorción atómica la hace menos susceptible a este tipo de interferencia que los métodos de emisión debido a la riqueza espectral de estos espectros, especialmente en plasma ICP. Esta misma abundancia espectral determina que las interferencias espectrales sean el principal problema en los métodos de emisión. Sin embargo, siempre es posible la escogencia de otras líneas, aunque sea sacrificando un poco de sensibilidad o utilizando el espectro iónico. Exactitud La exactitud depende básicamente de la calidad de los patrones para la calibración, de la ausencia de interferencias y de la preparación de la muestra (Harvey 2002). Para los métodos de llama y plasma ICP, reduciendo a su mínima expresión las interferencias, el error de exactitud puede estar entre 0,5 y 3 %. Sin embargo, la riqueza espectral producida por el plasma ICP puede afectar la exactitud debido a la radiación difusa proveniente de solapamientos espectrales. En el caso del horno de grafito puede llegar hasta el 5 %, ya que en este caso, las interferencias ocasionadas por la matriz son más serias. Precisión La precisión de estos métodos está relacionada tanto a la estabilidad física del atomizador como a la misma precisión del método. Para la emisión EEA tanto en llama como en plasma ICP, cuando se realizan mediciones sobre el límite de cuantificación, el error relativo de precisión puede estar entre el 1 y el 5 %. Entre los factores determinantes en este caso están la estabilidad térmica del atomizador, la variación de la velocidad de aspiración, entre otros. La absorción atómica permite la determinación de un gran número de elementos con un error de precisión de hasta el 1 %, debido a que se mide la relación entre la intensidad inicial y la transmitida, lo que tiende a eliminar ciertos errores instrumentales. Sin embargo, en el caso del horno de grafito, el error relativo precisión puede varía entre el 1 y el 5 % debido al difícil control de los parámetros como reproducibilidad en el programa de temperaturas y en la inyección de la muestra (Harvey, 2002).

190

Sensibilidad Para la EAA se entiende como sensibilidad la concentración o masa de analito necesaria para producir una absorción del 1 % o 0,004 unidades de absorbancia, Para el caso del horno de grafito se utiliza el término “masa característica”. En el caso de los métodos de llama, la sensibilidad depende de la composición de la llama y de su temperatura, especialmente en el caso de la EEA. Sin embargo, otros factores como altura de observación en el atomizador, relación combustible oxidante, velocidad de aspiración, los cuales deben se optimizados para mejorar la sensibilidad (Pansu, et al, 1998). La sensibilidad de un método particular se puede medir por la pendiente de la recta de calibración, pero cuando se trata de comparar dos métodos se debe tomar en cuenta la precisión. De esta manera, entre dos métodos que presentan la misma pendiente será más sensible el que presenta mayor precisión pero si los métodos presentan precisiones similares, será más sensible el que presente una recta de calibración de mayor pendiente. Aunque no es una regla general se puede considerar que la emisión atómica en llama es más sensible para aquellos elementos conRes mayores a 400 nm, pero para elementos con Res menores a 400 nm es preferible la utilización de la absorción atómica. Las interferencias químicas de matriz pueden afectar la sensibilidad, especialmente en los métodos de llama y horno de grafito, sin embargo, el plasma ICP, por su elevada temperatura y ambiente inerte está menos sujeto a estos efectos. Selectividad La selectividad está relacionada más que todo a la posibilidad de interferencias espectrales. La naturaleza selectiva del fenómeno de la absorción atómica reduce casi a cero la posibilidad de que dos elementos posean líneas de resonancia en la misma longitud de onda. Sin embargo, la emisión atómica excita gran número de líneas espectrales, especialmente en el plasma, debido a su alta temperatura, por lo que las posibilidades de interferencia son mayores. Debido a esto, los espectrómetros de emisión están provistos con monocromadores de alto poder de resolución. El límite de detección Los límites de detección alcanzados por las diferentes técnicas dependen de las condiciones experimentales y del tipo de matriz (Tabla 9). Sin embargo, se conoce sin duda alguna que el horno de grafito provee los mejores límites de detección (Pansu, et al 1998). Para los métodos de llama, la emisión atómica proporciona mejores límites de detección para aquellos elementos con líneas de resonancia por debajo de los 300 nm, la absorción atómica presenta mejores límites de detección. Para elementos con líneas de resonancia entre 300 y 400 nm tanto la absorción como la emisión presentan límites de detección similares y por encima de los 400 nm. En la emisión en plasma ICP, los límites de detección mejoran mucho con respecto a los métodos de llama, debido a las mayores temperaturas alcanzadas, lo que hace que el proceso de 191

atomización sea más eficiente. A pesar de esta mejora el ICP no puede igualar al horno de grafito en límites de detección alcanzados. En la Tabla 4 se muestran de manera comparativa los límites de detección de algunos elementos de interés en el análisis de aguas y suelos. Tabla 9.- Límites de detección de algunos elementos de interés en mg l-1. Elemento

EAA llama EAA horno EEA llama EEA ICP

Aluminio Boro Calcio Hierro Potasio Magnesio Manganeso Sodio Zinc

20 700 0,5 3 1 0,1 0,8 0,2 0,8

0,01 15 0,01 0,01 0,004 0,0002 0,0006 0,004 0,0006

3 50 0.1 10 0,01 1 1 0,01 1000

0,2 0,1 0,0001 0,09 30 0,003 0,01 0,1 0,1

Rango de linealidad de la calibración El rango de linealidad de la calibración se refiere al intervalo de concentraciones para el cual la relación de la intensidad de la radiación absorbida o emitida con la concentración es lineal. Este grado de linealidad viene dado por el coeficiente de regresión de la recta obtenido por el método de los mínimos cuadrados (Skoog et al 2001a). En el caso de la EAA, la Absorbancia medida es proporcional a la concentración sólo en un pequeño intervalo de concentración, que por lo general no supera un orden de magnitud. Para concentraciones mayores, la recta de calibración presenta una curvatura hacia el eje de las concentraciones. Con la EEA en llama se obtienen mejores rangos de linealidad sin embargo, esta se ve afectada por fenómenos de ionización y autoabsorción que le dan una forma de “ese” a la recta de calibración. La EEA - ICP es mucho menos afectada por la ionización y la autoabsorción, por lo que se pueden trazar rectas de calibración que conservan la linealidad hasta por 5 órdenes de magnitud en la concentración. Esto representa una ventaja ya que se puede reducir el número de patrones necesario y se puede usar la misma recta para la determinación en diferentes niveles de concentración. Este aspecto en importante en el análisis multielemental simultáneo. Número de elementos determinables La EAA es una técnica de determinación monoelemental ya que requiere el uso de una lámpara de cátodo hueco para cada elemento. Por otro lado, la emisión atómica se considera una técnica de determinación multielemental, pudiéndose determinar varios elementos en la misma muestra de manera secuencial o simultánea. La llama está limitada a aquellos elementos que no forman compuestos refractarios, por lo que esta técnica permite determinar un número menor de elementos que en el caso del plasma ICP, el cual permite la determinación de la mayoría de los 192

elementos de la tabla periódica, salvo aquellos cuyas líneas de excitación están por debajo de 150 nm como el Cl, Br, O, N (Mermet, 1992) Tiempo y costo del análisis Una de las características de los métodos instrumentales es que son métodos relativos, por lo que se requiere del uso de patrones de comparación. Por esta razón, los preparativos iniciales de preparación de soluciones patrón y calibración son laboriosos. Una vez culminados estos preparativos iniciales, el tiempo de análisis varía según el método, dependiendo de los requerimientos de cada uno de ellos. La naturaleza monoelemental de la EAA limita el número de muestras que se pueden realizar en un tiempo dado, además de que se debe realizar una curva de calibración para cada orden de magnitud, lo que consume tiempo. Sin embargo, estos sistemas son susceptibles de automatización, con lo que la velocidad de los análisis mejora mucho. En el caso de la EAA en llama se pueden realizar un promedio de unas 50 muestras por hora de manera manual, dependiendo de la destreza del operador, y un promedio de 300 con automatización. En el caso de la EAAHG consume más tiempo en los preparativos iniciales y requiere de un operador entrenado y con experiencia. Igualmente esta técnica requiere de automatización para mejorar tanto la variabilidad como el rendimiento en la velocidad del análisis. En el mejor de los casos esta velocidad de análisis no sobrepasa las 30 o 40 muestras por hora. La EEA en llama es particularmente fácil de operar y por lo general se realiza en el mismo espectrofotómetro de absorción atómica, los cuales vienen equipados con las dos modalidades. Los espectrómetros de emisión en plasma ICP secuenciales requieren de un operador con más experiencia que los simultáneos ya que debe elaborarse el método de análisis, es decir la escogencia de las líneas espectrales y los parámetros operacionales. En el caso de un instrumento secuencial se pueden realizar hasta 300 muestras por hora. Los costos de los equipos pueden variar de acuerdo a los modelos y marcas. Un espectrofotómetro de absorción atómica con llama puede rondar los 30000 $ o unos 50000 con horno de grafito incorporado. Los costos de mantenimiento son relativamente económicos en el caso de los instrumentos con llama sin embargo, en el caso del horno de grafito se le debe sumar el costo de los tubos de grafito, los cuales deben cambiarse cada cierto número de muestras. El costo de los instrumentos de ICP es considerablemente mayor. En el caso de un espectrómetro secuencial el costo puede estar por el orden de los 100000 $ y hasta 200000 $ para uno simultáneo. El costo de mantenimiento no es económico ya que se requiere de un consumo importante de argón y el mismo no es barato (Pansu et al, 1998). La decisión de adquirir uno u otro equipo depende entonces de los recursos económicos y las necesidades del laboratorio, así como del número de muestras que se analizan en el tiempo.

193

Espectroscopia de Absorción Atómica de Alta resolución con Fuente Continua Para finales del siglo XX y principios de XXI, la Espectroscopia de Absorción Atómica con Fuente de Línea, EAA FL, convencional era (y es) una técnica de análisis químico (metales) muy bien conocida y aceptada oficialmente para la determinación de metales en diferentes matrices. Desde su desarrollo por Alan Walsh en 1952, esta técnica se implementó de manera vertiginosa a lo largo de todo el mundo, sus aplicaciones en diferentes áreas del conocimiento se extendieron de una manera no imaginable por Walsh y la literatura analítica internacional se plagó de artículos de una manera casi continua durante por lo menos 3 décadas o más. Sin embargo, a pesar de los años transcurridos desde su implementación, la EAA FL no sufrió grandes cambios y/o innovaciones a lo largo del tiempo salvo por la implementación del horno de grafito como atomizador por LeVov, lo que no le auguraba un buen futuro. Las innovaciones estaban dirigidas hacia las aplicaciones en la determinación de las especies metálicas en diferentes matrices, desarrollo de métodos, métodos de calibración y estudios de interferencias. Una de sus grandes desventajas es su incapacidad para el análisis multielemental y el requerimiento de una LCH para cada elemento, por lo que para la segunda mitad del siglo XX la EEA con Fuente de Plasma se hizo más popular. El único progreso real para la EAA realizado en los últimos 10 años ha sido el desarrollo de la Absorción Atómica de Alta Resolución con Fuente Continua “EAA AR FC”. Para los años 1860 Bunsen y Kirchhoff ya llevaban a cabo investigaciones sobre la correlación entre la absorción y la emisión de radiación por los átomos y utilizaron una fuente continua para sus experimentos, claro era la única fuente de luz existente para la época. Otros investigadores de la segunda mitad del siglo XIX como Lockyer, en 1880, utilizaban fuente continua para sus estudios de absorción, sin embargo, los problemas de fondo hacían más fácil medir una emisión sobre un fondo negro (placa fotográfica) que la discontinuidad de un continuo oscuro. Por esta razón la emisión prevaleció para la identificación y cuantificación de elementos metálicos por mucho tiempo hasta mediados del siglo XX. En la Figura 42 se muestran las técnicas de Emisión Atómica desarrolladas desde finales del siglo 19 y utilizadas hasta mediados del siglo XX. En un principio, el atomizador utilizado era una llama pero rápidamente fueron introducidos el arco y la chispa eléctrica como atomizadores con un mejor desempeño que la llama por sus altas temperaturas, un espectrómetro de prisma Litrov (conocido entre los estudiantes de la época como “la urna”) y placa fotográfica como detector, mostrado en la Figura 43. Esta placa debía ser revelada en cuarto oscuro y luego comparada ópticamente con un espectro patrón del hierro para realizar el análisis cualitativo de la muestra. El análisis cuantitativo era complicado ya que había que realizar la calibración en base al ennegrecimiento de la línea espectral registrada en la placa fotográfica, lo que era difícil y consumía tiempo.

194

Llama

Espectrógrafo

Sal en solución

Espectrógrafo Generador de chispa

Figura 42.- Técnicas de Emisión Atómica desarrolladas desde finales del siglo 19 y utilizadas hasta mediados del siglo XX

Figura 43.- Esquema de un espectrómetro de prisma En 1955 Alan Walsh implementó la lámpara de Cátodo Hueco, como fuente de línea para la aplicación a la Absorción Atómica cuantitativa, con lo que la EAA se posicionó como técnica competitiva en el mercado. Sin embargo, en un principio las LCH tienen salidas ópticas de poca energía y pueden presentar inestabilidad. Igualmente su disponibilidad es crítica y hay elementos como algunas tierras raras para los cuales no existe la LCH respectiva. Estos dos aspectos pueden confirmar que la fuente continua puede ser una mejor opción. Debido a las pocas líneas espectrales manejadas en el caso de las LCH, los requerimientos de calidad de monocromador bajaron. Los problemas de fondo del atomizador se resolvieron con 195

sistemas de correctores de background y sistemas ópticos de doble haz. En este sentido, los espectrofotómetros comerciales fueron fabricados de acuerdo a los principios sugeridos por Walsh por más de 4 décadas sin embargo, durante ese tiempo continuaron las investigaciones en el uso de fuentes de radiación UV visible continuas para la absorción atómica. En esos años de investigación se estudiaron procesos de modulación de la longitud de la onda, el uso de interferómetros y una combinación de barrido óptico e interruptor óptico secuencial (choper) para mejorar la relación señal ruido y la sensibilidad de la técnica. Keliher y Wohlers para los años 1970, usaron por primera vez un espectrómetro de alta resolución con red echelle (red de escalera) para la Absorción Atómica con Fuente Continua. La limitación principal para estos investigadores fue la relativa baja energía de la lámpara de xenón de 150 W por debajo de los 320 nm donde justamente la mayoría de los elementos tienen sus líneas de resonancia. Estas investigaciones continuaron por más de 20 años por otros investigadores donde se destacaron O´Haver y Harnly (1990 – 1999) introduciendo mejoras en el sistema como la modulación de la longitud de la onda, fuentes continuas de pulso y el uso de arreglo de diodos como sistema de detección. Estos investigadores describieron por primera vez un espectrómetro de Absorción Atómica multielemental simultáneo con fuente continua y publicaron la aplicabilidad de este sistema para una variedad de problemas analíticos, usando tanto la llama como el horno de grafito como atomizadores. Ya para el año 1990 importantes investigadores en el área de la Absorción Atómica como Hieftje habían predicho la pérdida del interés por la EAA FL en menos de una década a menos que se desarrolle nueva instrumentación y/o nuevos conceptos o acercamientos al tema. Estos nuevos conceptos que han sido introducidos son justamente la Fuente Continua y el uso de espectrómetros de alta resolución y nuevos sistemas de detección. Está claro ahora que la EAA FC se ha colocado en un nuevo pedestal tanto en el mundo científico como en el comercial como alternativa viable frente al EEA ICP. Instrumentación para EAA AR FC La Fuente fotónica Una fuente continua de radiación se refiere a una fuente de radiación que genera un espectro continuo en un amplio rango espectral, en este caso la región ultravioleta y visible y la cual puede operarse de manera continua o por pulsos. En principio las fuentes continuas de halógeno o las lámparas de deuterio o arco de xenón pudiesen utilizarse para EAA AR FC sin embargo, el parámetro crítico es su Radiancia espectral por debajo de 190 nm, es decir el ultravioleta lejano. La fuente continua utilizada para la EAA AR FC es similar a las lámparas de arco de xenón utilizadas en la iluminación de estadios pero mejorada para incrementar la emisión en la parte ultravioleta del espectro. En la Figura 44 se muestra de manera relativa la Radiancia espectral de la lámpara de xenón “hot spot mode” y la correspondiente a la lámpara de xenón convencional. 196

Figura 44.- Radiancia espectral de la lámpara de arco de xenón “hot spot mode” y la lámpara de arco de xenón convencional. Esta lámpara ha sido diseñada para trabajar en la modalidad denominada “hot spot mode” como un destello incandescente que tiene la apariencia de un plasma pequeño concentrado en la superficie catódica de la lámpara. La concentración del plasma se consigue por medio de una separación de los electrodos de menos de 1 mm, por un incremento en la presión de xenón dentro de la lámpara (17 bares en frio) y por un controlado régimen térmico. Durante su operación la presión interna de la lámpara se incrementa hasta 4 veces y se forma un destello incandescente que posee un diámetro de unos 0,2 mm y la temperatura en el plasma alcanza los 10000 K. La lámpara se opera a unos 300 W (20 V y 15 A) con corriente directa y un circuito adicional que produce un pulso de alto voltaje de 30 kV realiza la ignición. Para mantener la temperatura adecuada, la lámpara es enfriada por un sistema de enfriamiento con agua. En la Figura 45 se muestra un esquema general de la lámpara de Xe

Figura 45.- Esquema de la lámpara de xenón “hot spot mode” La intensidad de la lámpara disminuye con el tiempo de uso de la misma debido al ennegrecimiento de la envoltura de la misma. Luego de unas 1000 h de trabajo la intensidad puede bajar hasta el 75 % y debe sustituirse ya que los límites de detección pueden desmejorar.

197

Espectrómetros El espectrómetro requerido por la EAA AR FC es extremadamente sofisticado, en comparación con la EAA FL convencional ya que el mismo debe poseer un poder de resolución dos veces mayor que para el caso del espectrofotómetro convencional con la misma distancia focal, sobre todo el rango espectral. De esta manera asegurar una sensibilidad similar para cada elemento y para evitar las interferencias por solapamientos espectrales. La eficiencia de la difracción permite tener una relación S/R mayor y así obtener LD más bajos. Se requiere igualmente la lectura simultánea de la línea espectral y su entorno cercano para realizar una corrección de fondo correcta. Por último se requiere un control de la longitud de la onda y de la dispersión a la escala de los femtometros para garantizar la confianza analítica y para el manejo digital de espectros de referencia. De esta manera, sólo los espectrómetros de alta resolución con red de escalera (echelle) en combinación con detectores de estado sólido tienen el potencial para cumplir con los requerimientos exigidos por la EAA AR FC. Un monocromador de escalera se diferencia de uno convencional por que posee dos elementos de dispersión dispuestos en serie. El primero es una red de escalera y el segundo es un prisma de baja dispersión. La red de escalera es un caso particular de las redes planas y se caracterizan por presentar un número bajo de ranuras por cada milímetro, entre 70 y 300 y un ángulo de difracción mayor de 45 grados. Estos sistemas dispersivos presentan una dispersión lineal del orden de 0,1 nm mm -1 y trabaja sobre órdenes de difracción superiores. En la Figura 46 se muestra un esquema de la red de escalera. La red se ilumina sobre la parte abrupta de la ranura, la luz es reflejada de manera integral en la misma dirección.

Figura 46.- Red de escalera. : ángulo de incidencia, : ángulo de difracción,  : ángulo de blaza, 2: ángulo entre el haz incidente y el difractado al blaza máximo. d: ancho de la red Al blaze máximo, en cada orden del ángulo de incidencia los ángulos de incidencia  y de difracción  pueden ser expresados en términos de la pequeña diferencia angular  con respecto al ángulo de blaze . Siendo:

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      cos   1 La ecuación de la red se puede escribir como: W sen  sen  W sen     sen      N N W sen  cos   cos   sen   sen  cos   cos   sen    N W sen  cos   cos   sen  sen  cos   cos   sen    N W sen  cos   sen  cos   2Wsen    2dsen N N m 

donde m es el orden de difracción,  es la longitud de la onda, d es el ancho de la ranura N es el número total de ranuras. La resolución teórica R del espectrómetro está dada por:

R

  mN 

N

2W  sen m

De la ecuación anterior se tiene que:

y sustituyendo en la ecuación de la resolución espectral de la red se tiene que:

R  mN  m 

2W  sen 2W  sen  m 

Debido a que los espectros de orden superior son dispersados por la red bajo un ángulo de difracción pequeño, estos aparecen sobrepuestos de manera que es necesaria su separación por medio del segundo elemento dispersor suplementario. Para el intervalo de entre 200 y 800 nm se utilizan por lo menos 90 órdenes espectrales (n entre 30 y 120). En la Figura 47 se muestran la disposición perpendicular de la red de escalera y el prisma que dispersa los diferentes órdenes espectrales.

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Figura 47.- Esquema de funcionamiento del espectrómetro de escalera. El uso de órdenes espectrales superiores y el espectro resultante se presenta en un patrón bidimensional con los órdenes observados en la dirección vertical y la longitud de onda, de un orden particular, en la dirección horizontal. En la Figura 48 se muestra la distribución de los distintos órdenes de difracción y las longitudes de onda en el espectro bidimensional. Se observa que la dispersión aumenta a medida que el orden de difracción es mayor.

Figura 48.- Distribución espectral bidimensional. Los Detectores El detector adecuado para EAA AR FC debe presentar un buen rango dinámico, una alta eficiencia cuántica en todo el rango UV visible hasta el IR cercano, respuesta rápida, bajo ruido, alta resolución espectral alta capacidad de saturación así como un costo razonable. El arreglo de diodos así como los dispositivos de transferencia de cargas (DAC) caracterizados por un alto desempaño fotométrico así como un mejoramiento en el procesamiento electrónico de la señal ha permitido su aplicación en los espectrofotómetros para la EAA AR FC. La importancia de un amplio rango dinámico se hace necesaria cuando se trata de mediciones con absorciones de fondo intenso así como mediciones simultáneas sobre un amplio rango espectral. En este sentido, los detectores de transferencia de carga (DAC) son los más adecuados para los espectrómetros de EAA AR FC. 200

Con una capacidad de saturación de hasta 8 x 10 5 e-/pixel y un ruido de lectura de máximo 30 e- definen un rango dinámico de hasta 800, lo que es adecuado para aplicaciones en EAA. El régimen de la lectura en un DAC es simultáneo cuando está limitada a un número pequeño de pixels, los electrones generados en cada pixel se mueven simultáneamente hacia el registro después de cada intervalo de acumulación. Sin embargo, para los espectrómetros de escalera deben ser usados DAC de mayor tamaño con millones de pixels para poder registrar el amplio rango espectral. En el caso de espectrómetros simultáneos el tiempo de registro de la señal es más lento ya que se deben leer los pixels individuales lo que se traduce en una baja velocidad de repetición siempre que se requiera un amplio rango dinámico. Espectrómetro secuencial Se han diseñado diferentes espectrómetros de escalera tanto secuenciales como simultáneos aplicados en principio a la EEA – ICP y para la EAA AR FC los cuales están descritos en la literatura (Skoog y Heller, 2000). En la Figura 49 se muestra el esquema de un espectrómetro DEMON secuencial utilizado para EAA AR FC. El mismo cuenta con un prisma frente a una red de escalera, ambos en una disposición parecida al montaje Litrov. El prisma de cuarzo Litrov incrementa la dispersión angular y la auto colimación de la red de escalera de 760 producen una alta dispersión y gran poder de resolución de hasta 75000, lo que corresponde a la anchura máxima a la altura media de la línea espectral de 2,7 pm a los 200 nm y de 6,7 pm a los 500 nm. La selección de la longitud de la onda se realiza por medio de un motor paso aso que rota tanto el prisma como la red.

Figura 49.- Espectrofotómetro de absorción atómica de alta resolución con fuente continua con espectrómetro DEMON: 1: Fuente continua, 2: Fuente de línea (opcional), 3: espejos elípticos, 4: atomizador, 5: rendija de entrada, 6: espejos parabólicos, 7: Prisma, 8: espejos plegables y rendija intermedia, 9: red de escalera, 10: detector DCC. (Tomado de B. Weltz, 1999. High-Resolution Continuum Source AAS: The better way to do Atomic Absorption Spectrometry. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, Germany). 201

La radiación de la fuente continua se focaliza en la rendija de entrada por medio de dos espejos elípticos. Con esto la imagen del plasma se aumenta hasta seis veces para iluminar la rendija de altura máxima y conseguir una máxima conductancia geométrica. Después que el haz colimado se refracta en el prisma, un pequeño segmento del continuo poco dispersado pasa por la rendija intermedia la cual es la rendija de entrada del espectrómetro de escalera. La rotación del prisma garantiza que se transmita sólo este intervalo espectral que contiene la línea espectral y su entorno. Luego la red de escalera actúa como una lente de aumento y dispersa la sección preseleccionada con alta dispersión. Espectrómetro simultáneo En la Figura 50 se muestra el esquema de un espectrómetro simultáneo el cual está caracterizado por un alto desempeño espectral producto de una corrección efectiva de la aberración óptica u una óptima estabilización de la longitud de la onda. El arreglo mostrado en la Figura se le conoce como “montaje tetraédrico” en el cual los espejos, la rendija y el detector están ubicados en los vértices del tetraedro.

Figura 50.- Espectrómetro de escalera simultáneo 1: lámpara de deuterio, 2: lámpara de tungsteno alógeno, 3: combinador de haces, 4: shuter mecánico, (5 - 9): espejos toroidales, 6: recipientes para muestra y blanco, 7: válvula magnética, 8: atomizador de llama, 10: rendija de entrada, (11- 14): iluminación óptica predispersiva, (15, 18): espejos esféricos, 16: prisma de cuarzo, 17: red de escalera, 19: detector DCC, 20: lámpara de neón, (R1 – R5): unidades de rotación piezo eléctricas. (Tomado de B. Weltz, 1999. High-Resolution Continuum Source AAS: The better way to do Atomic Absorption Spectrometry. Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim, Germany). 202

La separación de los diferentes órdenes se realiza por medio de un prisma de cuarzo en la modalidad de paso doble al frente de la red de escalera que utiliza su lado abrupto para obtener una alta dispersión lineal para una distancia focal de un cuarto de metro (0,25 m). Esto permite un diseño compacto del espectrómetro que facilita su construcción. El espectrómetro también está equipado con un sistema de estabilización de la longitud de la onda que garantiza un patrón espectral fijo de la red frente al detector. Cinco microposicionadores controlan la geometría espectral relativa, estos controlan la difracción de la red, la dispersión del prisma, dos movimientos laterales y la rotación del espectro. Características especiales de la EAA AR FC Los espectrómetros para EAA AR FC son instrumentos que no requieren sistemas ópticos de doble haz tal como los clásicos espectrofotómetros de LCH y llama u HG y son construidos con sistema de un solo haz. Esto se debe a que los pixels del detector DCC actúan de manera independiente los cuales son iluminados por la misma fuente de radiación y los mismos son leídos de manera simultánea. Sólo unos pocos son utilizados para medir la absorción y otros pueden ser utilizados para corregir fluctuaciones de la intensidad de la lámpara. Debido a que todos los pixels son iluminados y leídos simultáneamente, cualquier cambio en la intensidad luminosa es corregido de inmediato. En la EAA convencional la línea espectral seleccionada es la acostumbrada línea de resonancia por ser la de mayor sensibilidad y la que provee una mejor relación S/R, lo que permite el análisis de trazas y ultratrazas. Sin embargo en algunas ocasiones se escoge una línea espectral distinta cuando la concentración del analito es alta y la dilución representa un problema. Este dilema no se presenta en el caso de la EAA AR FC debido justamente a la alta intensidad de la fuente de fotónica la cual es lo suficientemente fuerte como para proveer una buena relación S/R para cualquier línea espectral. Como el pixel del detector se ajusta siempre al centro de la línea espectral, todos los problemas asociados con la fuente de radiación como lo son el desplazamiento de la línea espectral, auto absorción o la presencia de otras líneas emitidas por la lámpara no se presentan Debido a que la intensidad de la lámpara de espectro continuo es unos dos órdenes de magnitud mayor que la LCH, se pueden esperar un incremento significativo de la relación S / R y por ende LDD más bajos, a menos que otros factores como el ruido proveniente de la llama llegue a ser dominante. En la Tabla 10 se muestran de manera comparativa los LDD para algunos elementos representativos por las técnicas de EAA AR FC y EAA LCH. Salvo los casos del As y Se los LDD para el resto de los elementos mostrados son dos o tres veces menores para la EAA AR FC.

Una de las mayores imitaciones de la EAA LCH es su corto rango de linealidad que llega a máximo dos órdenes de magnitud en concentración. En el caso de la EAA AR FC teóricamente no hay límite para el rango lineal de la calibración, sólo los límites impuestos por el tamaño del arreglo de diodos, la posibilidad de interferencia espectral y la capacidad para el lavado del atomizador después de la nebulización y atomización de la muestra.

Otras de las características de la EAA AR FC es la posibilidad de análisis multielemental en tiempos relativamente cortos competitivos con la EEA ICP. De hecho cualquier espectrómetro que utilice fuente

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continua y monocromador de escalera permite acceder a cualquier línea espectral en un tiempo muy corto, menor a 1 segundo. Esta característica permite realizar un análisis multielemental ultra rápido con la gran ventaja de poder optimizar vía computadora las condicione de la llama y posición del quemados para cada elemento.

Tabla 10.- Comparación de LDD en g l-1 en EAA AR FC y EAA LCH con llama C2H2 / aire Elemento LDD EAA AR FC LDD EAA LCH Elemento LDD EAA AR FC LDD EAA LCH Ag 0,9 1,5 Mn 1,2 1,5 As 350 150 Ni 6 6 Bi 11 30 Pb 12 15 Ca 0,7 1,5 Pd 10 30 Cd 0,7 0,8 Pt 28 60 Co 1,9 9 Rh 4 6 Cr 1,4 3 Sb 23 45 Fe 1,7 5 Se 150 100 Ga 25 75 Sn 110 150 Li 0,14 0,8 Tl 7 15 Mg 0,09 0,15 Zn 1,1 1,5

El procedimiento se basa en la calibración del instrumento para cada uno de los elementos a determinar seguido de la determinación de todos los elementos en cada una de las muestras. En el caso de las rutinas por EAA LCH se debería realizar una curva de calibración para cada elemento, el análisis del elemento A en las muestras, cambio de lámpara, optimización e la llama y quemados para la determinación del elemento B en la muestra 2 y así sucesivamente, lo que conlleva tiempo, esfuerzo, recursos y una mayor posibilidad para los errores. Otra de las posibilidades que ofrece el modo de análisis secuencial rápido con EAA AR FC es el uso del método de estándar interno raramente recomendada el caso de la EAA LCH. El motivo principal es que se requiere un espectrómetro multicanal, segundo es muy difícil encontrar un estándar interno para la interferencia de un elemento específico. Por último espectrofotómetro multicanal fabricado por la Perkin Elmer, modelo SIMAA 6000 fue diseñado solo para utilizar horno de grafito como atomizador la cual no presenta interferencia no específica como la del transporte de la solución por un nebulizador. Especiación En ciertas circunstancias la determinación el contenido total de un elemento o elementos, provee sólo información parcial acerca de su comportamiento en el medio ambiente así como de su grado de toxicidad. Las propiedades físico químicas y toxicológicas son muy dependientes de la forma química en la que el elemento está presente. El término especiación química se refiere a la identificación y cuantificación de cada una de las formas individuales de un elemento. Algunos elementos como el arsénico, selenio, mercurio, 204

aluminio, pueden existir en diferentes formas o especies durante su camino por el sistema suelo solución de suelo planta. Desde el punto de vista ambiental, la especiación es importante porque cada especie inorgánica de un elemento en particular puede poseer propiedades toxicológicas (o medicinales) realmente distintas. Hay diferencias en la reactividad, en la disponibilidad y el mismo transporte por el sistema suelo solución de suelo planta y su misma entrada a la cadena alimenticia. Por lo tanto, el conocimiento de las diferentes formas de un elemento en el suelo es más importante que conocer el contenido total del mismo. Por ejemplo en eventos de contaminación que involucran al mercurio han mostrado que la cantidad total del mismo es insuficiente y por lo general subestima la toxicidad potencial del metal. La gran dificultad o limitación en comprender el rol químico en el ambiente de las diferentes especies, ha sido la falta de de métodos y procedimientos para la identificación y cuantificación de las diferentes especies a las concentraciones que se encuentran en la solución del suelo (o en el ambiente en general). Técnicas acopladas Espectrometría de masas, EM La espectrometría de masas realiza el análisis a través de la formación de partículas cargadas (iones) y su posterior separación por medio de un campo magnético que desvía las partículas en función de la relación carga / masa, m e  M  e   M   2e 

 Los iones positivos son acelerados con ayuda de una diferencia de potencial V y su energía tiene el valor:   mv2 E  e V 2 Donde m, e- y v son la masa, carga y velocidad de la partícula. En presencia de un campo magnético  H , perpendicular a la dirección de movimiento del haz de iones, se ejerce una fuerza centrípeta   FC  H  e   v , la cual, imprimiéndole a estos un movimiento circular, debe igualar a la fuerza centrífuga FC de los iones:

  mv2  FC   H  e  v r De donde

  H  e  r v m 205

Sustituyendo en la ecuación de la energía se tiene que:

 2 2  2 2 2  m H  e  r H e r2 e V    2 2m m2 Reordenando:

 m H r2   e 2V

r2 Siendo r constante se obtiene que K y 2  m H K  e V

La ecuación anterior muestra que la relación que existe entre m e  y el potencial acelerador

 V y la intensidad del campo magnético. Con el crecimiento de este último, el detector registra iones  cada vez más pesados, mientras que con el crecimiento del potencial acelerador V se detectan iones cada vez más livianos. Acoplamiento ICP – EM

En el acoplamiento ICP – EM, un plasma de argón es utilizado como fuente de iones para un espectrómetro de masas. Esta combinación nació de la necesidad de extender el dominio de la EM al análisis elemental de soluciones. En la Figura 51 se muestra un esquema de la instrumentación. Interfase Vacío

Vacío

Cuadrupolo

108 mmHg Ar Muestra

Multiplicador de e-

Ar Cono de muestreo

Figura 51.- Esquema acoplamiento ICP – Masas

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La muestra es nebulizada e inyectada en el corazón del plasma ICP. Una vez en el plasma, el solvente se evapora, la sal se funde, se vaporiza y se atomiza, finalmente los átomos formados se ionizan. Parte de estos iones son extraídos a través de una interface a vacío primario y son introducidos al espectrómetro de masas donde son separados y analizados de acuerdo a sus relaciones m e  . La interface permite el paso de la muestra de iones desde el plasma a la presión atmosférica a unos 10-5 mmHg en el espectrómetro de masas. Las capacidades del acoplamiento ICP – EM son: -

Posee un rango lineal dinámico de hasta 6 órdenes de magnitud Posee la capacidad para el análisis multielemental Se trabaja con muestras líquidas y la calibración es más fácil El análisis es rápido, el espectro de masas se obtiene en corto tiempo Límites de detección entre 0,1 y 0,01 ppb para la mayoría de los elementos de la Tabla Periódica El espectro se simplifica y se reduce a unas pocas líneas (1 a 10) por cada elemento Posee la capacidad de análisis isotópico

Sin embargo, a pesar de sus ventajas, el acoplamiento ICP – Masas posee ciertas limitaciones ya que es sensible al contenido total de soluto en la muestra. La máxima concentración de soluto tolerada es del 0,2 %. Para concentraciones mayores, los sólidos disueltos pueden depositarse gradualmente en la interface causando que esta se obstruya. Otras de las desventajas en que la técnica puede sufrir de interferencias debido al espectro de fondo y a la matriz. Los campos de aplicación del acoplamiento ICP – Masas son variados y van desde el análisis de aguas naturales y aguas residuales, materiales geológicos, biológicos, alimentos, muestras ambientales y análisis isotópico. Muestras como las de agua pueden introducirse directamente pero en la mayoría de los casos se requiere de algún pretratamiento como disolución reducción del contenido de sales entre oros. Cada paso que se efectúe en el pretratamiento de la muestra incrementa el riesgo de contaminación de la misma. La capacidad del acoplamiento ICP – EM puede extenderse al análisis de especiación química con un acoplamiento adicional con un cromatógrafo líquido cuya columna se encarga de separar las diferentes formas químicas de la especie en la solución, las cuales serán captadas por el detector ICP – EM. En la Figura 52 se muestra un esquema de un tal acoplamiento triple.

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Sistema de Bombeo

108 mmHg

Analizador de masas

Detector de iones

105 mmHg

Interfase

Procesador de señal

760 mmHg Muestra

Plasma ICP

Ar

Fase móvil

Nebulizador

HCl xxx 1M

Espectro de masas

Columna Válvula de cromatográfica inyección

Ar

Recervorio de eluente

Figura 52.- Acoplamiento HPLC – ICP – EM La técnica de triple acoplamiento se ha usado para el análisis de diferentes formas de arsénico en tejido de peces con un límite de detección de 300 pg y de metilmercurio en atún con límites de detección de 7 ppb.

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Conclusiones Hasta principios del siglo XX el análisis químico dependía básicamente de la volumetría y la gravimetría que, aunque muy exactos tenían la imitación de la falta de sensibilidad a bajas concentraciones. Los métodos instrumentales se desarrollaron para ampliar los dominios de detección y cuantificación a niveles mil veces menores que los correspondientes a los métodos clásicos. Hoy en día estas metodologías gozan de un alto desarrollo tecnológico lo que le permite aplicarlas en una amplísima gama de muestras así como para satisfacer las necesidades de análisis químico en muchas de las especialidades del saber humano, especialmente en las áreas de las ingenierías y de la tecnología en general. Se puede afirmar que más del 90 % de los análisis químicos realizados en el planeta son llevados a cabo por métodos instrumentales modernos. Por este motivo, el análisis instrumental es un pilar fundamental en la formación del ingeniero del siglo XXI para poder afrontar los retos futuros del desarrollo de la sociedad. Las técnicas espectroscópicas son unas de las metodologías más utilizadas en el análisis tanto elemental como molecular y las mismas han experimentado un gran desarrollo tecnológico y comercial sin precedentes desde mediados del siglo XX. Las diferentes técnicas de absorción molecular y de absorción y emisión atómica en la región ultravioleta y visible del espectro electromagnético pueden coexistir perfectamente ya que las mismas son complementarias y se pueden amoldar a las necesidades de cada caso en particular. La gran variedad de modelos en espectrofotómetros de absorción molecular satisfacen las diversas exigencias técnicas y económicas de muchos laboratorios y se puede decir que en la mayoría de los laboratorios de control de calidad ambiental y de investigación en general hay al menos un fotómetro de mesa tipo Milton and Roy. La EAA con llama se ajusta bien a aquellos laboratorios que necesitan equipos sencillos, económicos para la determinación de elementos metálicos que no forman compuestos refractarios en la llama. La principal limitación es que esta técnica se cataloga como “mono elemento” de manera que la productividad analítica es baja. En este aspecto la EEA-ICP se cataloga como “multielemental” lo que le permite alcanzar niveles de productividad analítica superiores. La EAA con horno de grafito ajusta mejor en aquellos casos donde se requieren bajos límites de detección, especialmente para elementos pesados, complementándose muy bien con la EEA-ICP, a pesar de que esta no presenta límites de detección tan buenos como el primero. Por todo lo dicho anteriormente, podemos decir que estas técnicas de análisis químico son de uso obligatorio en muchas de las áreas del quehacer de la sociedad, especialmente en áreas de la ingeniería y el control ambiental. De esta manera, el ingeniero del siglo XXI está requiriendo el uso de las mismas casi de manera rutinaria a fin de dar respuesta a problemas variados en el campo laboral y de servicio a una sociedad que clama cada vez más por una mejor calidad de vida.

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Se concluye entonces que la enseñanza y adiestramiento en los métodos espectrofotométricos a los estudiantes y profesionales de la ingeniería relacionados con el análisis químico es de extrema importancia.

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