2. Continguts
· Components bàsics d’un espectrofotòmetre
• Control de la longitud d’ona
• Cubetes per a mostres
• Detectors de radiació
· Espectrofotòmetres de doble feix
· Instruments colorimètrics simples
3. Objectius
• Seleccionar els equips en funció de la tècnica i
paràmetre a determinar
• Descriure les parts d’un espectrofotòmetre, la
finalitat de cada part, els principis físics i la
terminologia utilitzada
• Descriure el funcionament i les diferències entre
un espectrofotòmetre d’un feix i un altre de
doble feix
• Descriure el funcionament dels colorímetres
simples
4. Els cinc components bàsics d’un
espectrofotòmetre
1. Font d’energia radiant
2. Control de la longitud d’ona
3. Cubeta per a la mostra
4. Detector
5. Sistema d’amplificació i lectura
(analògic, digital o gràfic)
5.
6. 1. Fonts d’energia radiant (I)
• Formades per substàncies que s’exciten
per escalfament elèctric fins un estat
d’elevada energia, o bé per descàrregues
d’alt voltatge
• Una vegada aconseguit l’augment de
temperatura, tornen a estats energètics
menors o als estats inicials, emeten
aleshores fotons de determinada energia
7. 1. Fonts d’energia radiant (II)
• Classes:
• Fonts de radiació UV (ultraviolada)
• Fonts de radiació visible
• Fonts de radiació IR (infraroja)
8. Fonts de radiació UV
• Làmpades d’hidrogen, deuteri o xenó
• Composició: 2 elèctrodes dins d’un tub de vidre
amb una finestra de quars per on surten les
radiacions. Els gasos estan a baixa pressió.
• Funcionament: quan apliquem un alt voltatge →
descàrrega elèctrica → excita els electrons dels
àtoms del gas (salten a òrbites atòmiques de
major nivell energètic) → quan tornin al seu
estat fonamental aleshores emetran radiació
contínua en la regió dels UV (180-350 nm)
9. Fonts de radiació visible
• Làmpades de tungstè (wolframi)
• Funcionament: emeten radiació blanca al
escalfarse el filament de tungstè (és
travessat per un corrent elèctric continu) o
bé en el cas de les de wolframi es
comporten com un cos negre.
10. Fonts de radiació IR
Tipus:
• Filament de Nernst (elèctrode buit d’òxid
de circoni o d’itri amb els extrems tancats
per un tub de ceràmica). S’escalfen a
1500ºC per el corrent elèctric. Emeten
radiacions de 400 a 20000 nm.
• Làmpada de Glowar (elèctrode de carbur
de silici). S’escalfa a 1200ºC. Emeten
radiació contínua entre 1000 i 40000 nm.
11. 2.Control de la longitud d’ona
• Utilitzem:
• filtres (bandes estretes de λ)
• monocromadors (molt selectius, sensibles,
discriminen fraccions de nanòmetre,
redueixen la radiació policromàtica obtinguen
radiacions de banda molt estreta----banda A).
12.
13. Filtres(II)
• Quan més petit sigui l’ABE (ample de banda
efectiu) millor serà el filtre.
• Tipus: filtres d’absorció, filtres d’interferència,..
• Filtres d’absorció: absorbeixen selectivament les λ
no desitjades.
• De gelatina: làmina de gelatina impregnada dels colors
adequats i col·locada entre dues làmines de vidre
• De líquids: solucions que absorbeixen determinades λ
• De vidre entintat: làmina de vidre acolorida d’un pigment
dissolt .
14. Filtres (III)
-Filtres d’interferència: basats en el fenomen de la
interferència
Interferència additiva
o constructiva
Interferència subtractiva
o destructiva
15. Filtres d’interferència
Només transmeten l’espectre desitjat
Composició:
- dues làmines semitransparents de plata
- recobertes de vidre
- i separades per un dielèctric (fluorur de
magnesi, MgF2 ) d’uns 40 nm de gruix
16. Filtres d’interferència
La llum incident (policromàtica) és reflectida en
ziga-zaga en el dielèctric i, per interferència,
s’anul·len. Les ones de fons seràn eliminades per
els filtres de vidre.
Només passaran les ones que siguin adequades
al gruix del dielèctric.
Seràn ones monocromàtiques i d’una λ
determinada
Són molt exactes i els més utilitzats
17.
18. Monocromadors
Redueixen la radiació policromàtica a ABE
de l’ordre de 25 a 0.1nm
Caixa hermètica:
1. Ranura d’entrada
2. Lent col·limadora
3. Dispersor
4. Ranura de sortida
20. Prisma de dispersió
El feix policromàtic→múltiples bandes
monocromàtiques→girem el prisma per a aconseguir
que la banda que ens interessi arribi a la ranura de
sortida.
- Fluorita (CaF2): λ 120 -210 nm
- Vidre: λ 320-750 nm
Un muntatge especial són els monocromadors amb
prisma dispersor aluminitzat en la part posterior o
amb un mirall acoplat anomenat mirall de Littrow
quels utilitzen per aconseguir amb el rebot del feix
diferents λ per a cada posició.
21. Xarxa o ranura de difracció
Superfície metàl·lica o pel·lícula transparent amb
gran nombre de línies paral·leles o estries, a
intervals molt pròxims (5000 a 20000) per cada
centímetre.
Feix policromàtic→estries→màxims de difracció a
diferents angles→seleccionar la λ
22. 3. Cubetes / cel·les / cèl·lules
per a mostres
Material de cares paral·leles no absorbent
D’un sol ús (netes, sense greix,..)
Tipus:
Cubetes per a UV: de quars (silici fos)
Cubetes per la regió visible: de vidre, quars, plàstic, metacrilat
(camí òptic d’1 a 10 cm)
Cubetes per IR, segons la fase de la mostra:
F. líquida: entre làmines de NaCl o CaF2
F. sòlida: trituren la mostra i la mesclen amb oli mineral o
bromur potàssic anhidre, després la comprimeixen i sobre la
massa fan que incideixi la radiació.
F. gasosa: tubs cilíndrics (varis centímetres) de vidre amb
unes finestres de clorur sòdic o fluorur de calci. S’omplen
de gas a una pressió de 5 a 50 mmHg
23. 4. Detectors de radiació
Per a regions del visible i de la UV:
1. Cèl·lula fotoelèctrica o fotoemissiva
2. Cèl·lula fotovoltaica o de capa de bloqueig
3. Tubs fotomultiplicadors
Per a la regió dels IR:
1. Cèl·lula fotoconductora
2. Termopars
24. Cèl·lula fotoelèctrica o
fotoemissiva(I)
Ampul·la de vidre (R. Visible) o de quars (UV)
amb una part plana per on entra la llum
A l’interior s’ha fet el buit i trobem dos
elèctrodes (+/-) connectats a una bateria
El càtode →làmina de metall alcalí (Li+
; Na+
; K+
i
Cs+
-CsH (hidrur de cesi) sensible ≅ ull)
En el càtode s’alliberen electrons per efecte
fotoelèctric
25. Cèl·lula fotoelèctrica o
fotoemissiva(II)
Els electrons s’atreuen per l’ànode (reixeta
davant el càtode, per on passa la llum i es
dirigeix al càtode), tancant-se el circuit
A vegades l’ampul·la s’omple d’un gas inert (Ne
o Ar)
Ambdós elèctrodes connectats a un
amperímetre
26.
27. Cèl·lula fotovoltaica o de capa
de bloqueig o de capa-barrera(I)
Base de ferro
Capa de Seleni (semiconductor) o d’òxid de coure (CuO)
Capa de barrera (espècie de fang) que permet el pas d’ ions
però impedeix la barreja de les dues dissolucions que
constitueixen la capa de seleni i la capa següent
Capa fina de metall transparent (Ag, Au o Pt)
Radiació → Se → ↑e-
→ Ferro → ddp (per trobar càrrega
elèctrica negativa sobre el ferro i positiva sobre el seleni ja
que a perdut electrons)
El conjunt està connectat a un galvanòmetre (mesura el pas
del corrent elèctric)
Avantatges: no cal bateria ni requereix fer el buit
28.
29. Tub fotomultiplicador(I)
Combina l’efecte fotoelèctric amb
múltiples passos d’amplificació electrònica
http://www.youtube.com/watch?v=k4mKDFPiB
http://www.youtube.com/watch?NR=1&feature
30. Tub fotomultiplicador(II)
Un tub fotomultiplicador és un dispositiu
electrònic que converteix la llum en un
corrent elèctric mesurable, de manera que
podem saber quina quantitat de llum
arriba al dispositiu.
Les seves característiques més
desitjades, són que tingui una gran
amplificació i una resposta molt ràpida.
31. Tub fotomultiplicador(III)
Un tub fotomultiplicador típic consta d'un
fotocàtode que està construït amb un
material fotosensible, diferents elèctrodes
(anomenats dinodes) i un elèctrode
col·lector anomenat ànode. Dins d'una
làmpada on s'hi fa el buit.
32. Funcionament del
tub
fotomultiplicador
:
Arriba un fotó a la
superfície fotosensible
del fotocàtode.
Aquest xoc té una
certa probabilitat de
generar un electró.
Aquest electró és
accelerat per una
diferència de potencial
aplicada als dinodes
Tub fotomultiplicador(III
33. L'electró accelerat topa amb el
dinode.
Per l'efecte de l'emissió
secundària, el xoc genera més
electrons.
Els electrons tornen a ser
accelerats i tornen a xocar amb
el dinode, generant-ne encara
més.
Es repeteix aquest procés
successivament d'aquesta forma
es produeix l'amplificació del
corrent.
Al final del tub, els electrons
arriben a l'ànode, generant un
corrent elèctric mesurable.
34. Per a la regió dels IR:
1. Cèl·lula fotoconductora
2. Termopars
35.
36. Esquema de la CIE
La Comissió Internacional d'Il·luminació (normalment
coneguda com a CIE a causa del seu nom francès,
Commission internationale de l'éclairage) recomana la divisió
de la radiació infraroja en tres bandes espectrals:[2]
IR-A: 700 nm–1400 nm
IR-B: 1400 nm–3000 nm
IR-C: 3000 nm–1 mm
Una altra divisió en bandes espectrals força habitual en
enginyeria és aquesta:[3]
infraroig proper (NIR o IR-A), 0,75–1,4 µm, definits per
l'absorció en aigua i usat habitualment en la comunicació per
fibra òptica, gràcies a la poca absorció en vidres de SiO2.
infraroig mitjà (MIR):
infraroig d'ona curta (SWIR o IR-B), 1,4–3 µm, l'absorció
en aigua augmenta considerablement a 1.450 nm
infraroig d'ona mitjana (MWIR o IR-C), 3–8 µm
infraroig d'ona llarga (LWIR o IR-C), 8–15 µm
infraroig llunyà (FIR), 15–1.000 µm
37. CÈL·LULA FOTOCONDUCTORA o
fotocel·la o cèl·lula fotodetectora o
fotoresistències
• Detecta radiació en l'IR proper
• Semiconductor(de sulfur de plom o de telur
de germani) amb electrons que generen un
dèbil corrent elèctric mesurat per un
galvanòmetre.
38. Termopars
•Per a mesurar radiacions en l'IR llunyà
•Utilitzen energia calorífica en lloc d'energia
fotoemissiva
•Són dos filaments soldats a una làmina d'or
protegida per una capa de quars
•La radiació incident augmenta la
temperatura en el punt de soldadura i genera
un corrent elèctric (efecte Seebeck)
39.
40. 5. Sistema d’amplificació i
lectura (analògic, digital o gràfic)
•Quan el senyal elèctric surt del detector serà
captat en un amplificador
•La relació entre els dos senyals (Out/In) ha
de ser suficientment alta per a poder ser
mesurable en el sistema de lectura
•Utilitzen galvanòmetres digitals,..
•Sistema connectat a ordinador amb un soft
especial i a una impressora per a obtenir la
gràfica o espectre de les dissolucions
49. Hemoglobinòmetre de Sahli
Dos tubs de
cristall
calibrats, un
amb la
solució de
referència i
l’altre ,el del
problema,
graduat de 0
a 140. (VN
100%)
50. Omplim fins el senyal 10 amb HCl 1%
Afegim 20 µl sang pacient (la hemoglobina
es transforma en clorhidrat d’hematina)
Afegirem petites quantitats d’H2O destil·lada
fins que la coloració del tub problema
sigui similar a la del tub de referència
(referència sòlida, d’un cristall de color i
composició inalterables)
51. Tubs o cilindres Hehner
El 1879 un farmacèutic
alemany, H. C. Wolff, substituí el
sistema mecànic de variació de
la posició dels plungers per un
sistema d’evacuació de líquids en
emprar, com a recipients
contenidors de líquids, dues
buretes especials (cilindres
Hehner); mitjançant l’obertura
d’una clau o l’altra s’aconseguia
equilibrar les columnes de líquid
de la mostra problema i de la
dissolució de referència que
produïen una mateixa percepció
òptica en l’observador
52. Cx = Cp · (hp/hx)
Cilindres Hehner
Dos tubs idèntics amb una clau de
pas pel buidat i amb escales
graduades de 0 a 100
Un pel patró de [] coneguda i l’altre
amb el líquid problema
Comparem ambdós a contraclaror,
anirem buidant el més concentrat ,
es a dir, el que té major intensitat
de color, fins que presentin idèntica
intensitat (observació vertical)
Anotem l’altura de cada cilindre
Apliquem la fórmula:
Font de llum