Analisis Instrumental

1. Análisis Instrumental
Unidad 1
Ing. Jorge S. Lezama Bueno1

2. Introducción
 Los ingenieros y los científicos disponen de una serie
impresionante de poderosas y selectivas herramientas en
el campo de la Biología y de la Física, para obtener
información cualitativa y cuantitativa acerca de la
composición y estructura de la materia.
 El Análisis Instrumental es un ejemplo de esta unión
interdisciplinaria en donde la tecnología interviene
fuertemente en los procesos de análisis de la materia.
 Es necesario que los alumnos entiendan los principios
fundamentales en los que se basan estos sistemas de
medidas.
Ing. Jorge S. Lezama Bueno2

3. Objetivo
 El objetivo de esta materia es proporcionar al alumno
una introducción a los principios de los métodos de
análisis espectroscópicos, cromatográficos y
electroanalíticos.
 También se presentará los tipos de instrumentos
actualmente disponibles, así como sus ventajas y
limitaciones.
Ing. Jorge S. Lezama Bueno3

4. Clasificación de los métodos analíticos
 Los métodos analíticos se suelen clasificar en:
 Clásicos (métodos de química húmeda)
 Instrumentales
 Esta clasificación es en gran medida una clasificación
histórica, los métodos clásicos precedieron en un siglo o
más a los métodos instrumentales
Ing. Jorge S. Lezama Bueno4

5. 5
Técnicas de análisis
Clásicas
- Gravimetría
-Volumetría
-coulometría
relativas
- Polarografía
- Potenciometría
- Absorción molecular
- Emisión atómica
Instrumentales
absolutas

6. Clasificación de los métodos
analíticos
 Clásicos, Separación de componentes de interés
(analitos) por:
Precipitación Destilación Extracción

7. Métodos clásicos (el pasado)….
 Separación de los componentes de interés de una
muestra (analitos), mediante:
 Precipitación
 Extracción
 Destilación
 Análisis Cualitativos
 Seguidamente los componentes ya separados se trataban con
reactivos dando origen a productos que se podían identificar
por su color, punto de ebullición o de fusión, su solubilidad,
su olor, su actividad óptica o su índice de refracción.
 Análisis Cuantitativos
 La cantidad de analito se determinaba mediante medidas
gravimétricas o volumétricas.
Ing. Jorge S. Lezama Bueno7

8. Para realizar ANÁLISIS CUALITATIVOS de componentes ya separados:
-reactivos que producen cambios de color
-puntos de ebullición o de fusión
-solubilidades en una serie de disolventes
-sus actividades ópticas
-sus índices de refracción
-sus olores

9. Para ANÁLISIS CUANTITATIVOS de Analitos ya
separados:
-Mediciones gravimétricas: (masa analito)
-Mediciones volumétricas: volumen o masa de un
reactivo estándar necesario para reaccionar
completamente con el analito

10. MÉTODOS INSTRUMENTALES
Alrededor de 1930 atención a fenómenos distintos,
mediciones de las propiedades físicas de los
analitos, entre ellas:
- Conductividad
- Potencial de electrodo
- Absorción o emisión de la luz
- Razón masa/carga
- Fluorescencia

11. Algunas técnicas de separación cromatográficas
empezaron a desplazar a la extracción,
destilación y precipitación Para la separación de
mezclas complejas, previo a su determinación
cualitativa o cuantitativa. A estos métodos
recientes para separar y determinar especies
químicas, se les conoce en conjunto como
MÉTODOS INSTRUMENTALES DE ANÁLISIS

12. Métodos instrumentales
 A principios del siglo XX, los químicos comenzaron a
usar fenómenos distintos para resolver los problemas
analíticos
 Las propiedades físicas
 Conductividad
 El potencial del electrodo
 La absorción o emisión de luz
 La relación masa/carga y la
 Fluorescencia
 A estos métodos más modernos para la separación y
determinación de especies químicas se les conoce, en
conjunto como métodos instrumentales de análisis.
Ing. Jorge S. Lezama Bueno12

13. Tipos de Métodos Instrumentales
Ing. Jorge S. Lezama Bueno13

14. Comentarios
 La mayor parte de las propiedades requieren de una fuente de
energía para estimular una respuesta medible que procede del
analito.
 Se observa que las seis primeras entradas de la tabla están
relacionadas con las interacciones del analito y la radiación
electromagnética, las otras cuatro son eléctricas y las ultimas
cuatro tienen propiedades diversas.
 No siempre es fácil elegir el método óptimo
 Tampoco es necesariamente cierto que los procedimientos
instrumentales utilicen aparatos más sofisticados y más
costosos (eje. Balanza analítica electrónica para
determinaciones gravimétricas es más complejo y costoso)
Ing. Jorge S. Lezama Bueno14

15. Procedimientos instrumentales
 Además de los numerosos métodos señalados en la
segunda columna de la tabla 1, existe un grupo de
procedimientos instrumentales que se utilizan para
separar y resolver compuestos afines. La mayoría de ellos
están relacionados con la cromatografía y la
electroforesis.
Ing. Jorge S. Lezama Bueno15

16. Instrumentos para el análisis
 Un instrumento para el análisis químico transforma la
información relacionada con las propiedades físicas o
químicas del analito en información que pueda ser
manipulada e interpretada por un ser humano.
 Se puede considerar como un dispositivo de
comunicación entre el sistema objeto de estudio y el
científico.
 La siguiente figura muestra un diagrama en bloques del
proceso completo de una medida instrumental
Ing. Jorge S. Lezama Bueno16

17. Instrumento para el análisis
Ing. Jorge S. Lezama Bueno17

18. Proceso
 Se proporciona un estímulo, generalmente en forma
de energía electromagnética, eléctrica, mecánica o
nuclear
 El estímulo provoca una respuesta del sistema objeto
de estudio, esta respuesta se rige por las leyes
naturales de la Física y la Química
 La información resultante radica en el fenómeno que
surge de la interacción del estímulo con el analito.
Ing. Jorge S. Lezama Bueno18

19. Ejemplo
 Ejemplo: Pasar una banda estrecha de longitudes de
onda de luz visible a través de una muestra, para
medir la capacidad de absorción del analito. Se
determina la intensidad de la luz antes y después de
su interacción con la muestra y la relación entre ellas
proporciona la medida de la concentración del
analito.
 En general, los instrumentos para el análisis químico
constan solamente de unos cuantos componentes
básicos, como se ve en la siguiente tabla
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20. COMPONENTES DE UN
INSTRUMENTO

21. Ing. Jorge S. Lezama Bueno21

22. Componentes de los instrumentos
Ing. Jorge S. Lezama Bueno22

23. Dominio de los datos
 En el proceso de medida colaboran una amplia variedad
de dispositivos que transforman la información de una
forma a otra.
 Para nuestro estudio de cómo funcionan los
instrumentos es importante entender la manera en la que
se codifica la información, o se transforma de un sistema
de información a otro.
 Los diferentes modos de codificar la información en
forma eléctrica se denomina dominio de los datos.
Ing. Jorge S. Lezama Bueno23

24. Dominio de los
datos
Ing. Jorge S. Lezama Bueno24

25. Dominios no eléctricos
 El proceso de medida empieza y termina en dominios no
eléctricos. Las propiedades físicas y químicas que son de
interés concreto radican en estos dominios de los datos.
 Entre estas propiedades se encuentran:
 La longitud de onda
 La densidad
 La composición química
 La intensidad de la luz
 La presión
 Etc.
 ¿Es posible realizar una medida completa en dominios no
eléctricos?
Ing. Jorge S. Lezama Bueno25

26. Ejemplo de medición en dominios no
eléctricos
 La determinación de la masa de un objeto usando una
balanza mecánica de brazos iguales
 Conlleva a la comparación de la masa del objeto con
unos pesos patrones
 La información que representa la masa del objeto en
unidades patrón es codificada directamente por el
investigador.
 Otros ejemplos?
Ing. Jorge S. Lezama Bueno26

27. Comentarios
 A menudo, este tipo de medida, en dominios no eléctricos se
asocian con los métodos analíticos clásicos.
 No obstante han surgido diversos instrumentos electrónicos
los cuales recogen la información en dominios no eléctricos, la
procesa en dominios eléctricos y finalmente la presentan otra
vez en dominios no eléctricos.
 Hay que recordar que la información buscada empieza en las
propiedades del analito y termina en un número, siendo
ambos dominios no eléctricos.
 El objetivo último de todas las medida es que el resultado
numérico final debe ser, de algún modo, proporcional a la
propiedad física o química inherente al analito
Ing. Jorge S. Lezama Bueno27

28. Dominios eléctricos
 Las distintas modalidades de codificar la información
como cantidades eléctricas se pueden subdividir en
dominios analógicos, dominios del tiempo y dominios digitales.
 Observa que el dominio digital abarca tres dominios
eléctricos y uno no eléctrico.
 Cualquier proceso de medida puede representarse como
una serie de conversiones entre distintos dominios.
Ing. Jorge S. Lezama Bueno28

29. Los métodos ópticos de análisis se pueden diseñar para medir la capacidad de
un material o de una solución para absorber energía radiante, para emitir
radiación cuando son excitados por una fuente de energía o para dispersar o
difundir radiación.

30. Comentarios
 Energía aplicada: energía electromagnética (LASER)
 La radiación interacciona con las moléculas de quinina del agua
tónica para producir una emisión fluorescente en una región
del espectro característica de la quinina y cuya magnitud es
proporcional a su concentración.
 La intensidad de la emisión fluorescente, que pertenece a un
dominio no eléctrico, se codifica a un dominio eléctrico con
un dispositivo denominado transductor de entrada
(fotodetector)
 La señal se convierte a corriente eléctrica (dominio eléctrico
 El voltímetro digital sirve para convertir los datos de dominios
eléctricos a no eléctricos y se denomina transductor de salida
Ing. Jorge S. Lezama Bueno30

31. Dominios Analógicos
 En los dominios analógicos la información se codifica
como la magnitud de una cantidad eléctrica (tensión,
intensidad de corriente, carga o potencia).
 Son cantidades continuas en amplitud y tiempo
 Se pueden medir de manera continua, o en momentos
específicos de tiempo.
 Son susceptibles al ruido eléctrico
Ing. Jorge S. Lezama Bueno31

32. Ejemplo de señales analógicas
Ing. Jorge S. Lezama Bueno32

33. Dominios del tiempo
 En los dominios del
tiempo, la información
se almacena como las
variaciones de la señal
respecto al tiempo
Ing. Jorge S. Lezama Bueno33

34. Dominios del tiempo
 En los instrumentos que producen señales periódicas, el
número de ciclos de una señal por unidad de tiempo es la
frecuencia, y el tiempo necesario para cada ciclo es su
periodo.
 Ejemplos:
 Espectroscopia Raman
 Análisis instrumental por activación neutrónica
Ing. Jorge S. Lezama Bueno34

35. Dominios digitales
 En el dominio digital, los
datos se codifican en un
esquema de dos niveles
(sistema binario)
 La característica común a
todos estos dispositivos es
que sólo puede estar en
una de las dos únicas
posiciones posibles.
Ing. Jorge S. Lezama Bueno35

36. Datos digitales
Ing. Jorge S. Lezama Bueno36

37. Serie y paralelo
 Los datos, dentro los instrumentos analíticos y en las
computadores, se transmiten mediante transmisiones de
datos en paralelo (distancias cortas)
 Para transmisiones a larga distancia entre los
instrumentos u otras computadoras la comunicación se
realiza utilizando modems u otros sistemas de
transmisión de datos en serie.
Ing. Jorge S. Lezama Bueno37

38. Detectores, transductores y sensores
 Estos términos se usan frecuentemente como sinónimos,
pero tienen un significado con matices diferentes.
 Detector
 Dispositivo mecánico, eléctrico o químico que identifica,
registra o indica un cambio en alguna de las variables de su
entorno, tal como la presión, la temperatura, la carga eléctrica,
la radiación electromagnética, la radiación nuclear, las
partículas o las moléculas. Un ejemplo es el detector de UV
utilizado, a menudo, para indicar o registrar la presencia de los
analitos eluidos en cromatografía de líquidos.
Ing. Jorge S. Lezama Bueno38

39. Detectores, transductores y sensores
 Transductor
 Son los dispositivos que convierten la información en dominios no
eléctricos a dominios eléctricos y viceversa. Como ejemplo tenemos a
la fotodiodos, fotomultiplicadores, elementos piezoeléctricos,
termistores y otros.
 Sensor
 Un sensor es un dispositivo capaz de transformar magnitudes físicas o químicas,
llamadas variables de instrumentación, en magnitudes eléctricas. Las variables de
instrumentación dependen del tipo de sensor y pueden ser por ejemplo
temperatura, intensidad luminosa, distancia, aceleración, inclinación,
desplazamiento, presión, fuerza, torsión, humedad, pH, etc. Una magnitud
eléctrica obtenida puede ser una resistencia eléctrica (como en una RTD), una
capacidad eléctrica (como en un sensor de humedad), una tensión eléctrica
(como en un termopar), una corriente eléctrica (como un fototransistor), etc.
Un sensor se diferencia de un transductor en que el sensor está siempre en
contacto con la variable a medir o a controlar.
Ing. Jorge S. Lezama Bueno39

40. Otros elementos del instrumental
 Dispositivos de lectura
 Es un transductor que convierte la información que procede
de un dominio eléctrico a otro que sea comprensible para el
observador
 Microprocesadores y computadoras en los instrumentos
 La mayoría de los instrumentos analíticos en la actualidad
disponen de uno o más dispositivos electrónicos que se
encargan de adquirir, procesar, almacenar y transmitir la
información
Ing. Jorge S. Lezama Bueno40

41. Ing. Jorge S. Lezama Bueno41

42. Selección de un método analítico
Unidad 1
Ing. Jorge S. Lezama Bueno42

43. Es difícil la selección
 La dificultad reside en la gran variedad de métodos y
herramientas que se disponen para realizar los análisis.
 En esta parte de la unidad 1, ponemos a consideración
algunos criterios para hacer la elección adecuada.
Ing. Jorge S. Lezama Bueno43

44. Definición del problema
1. ¿Qué exactitud se requiere?
2. ¿De cuanta muestra se dispone?
3. ¿En qué intervalo de concentración está el analito?
4. ¿Qué componentes de la muestra interfieren?
5. ¿Cuáles son la propiedades físicas y químicas de la
matriz de la muestra?
6. ¿Cuántas muestra hay que realizar?
Ing. Jorge S. Lezama Bueno44

45. Parámetros
de calidad
Criterios
Cuantitativos
Ing. Jorge S. Lezama Bueno45

46. Tras características a tener en cuenta
en la elección del método
Velocidad
Facilidad y comodidad
Habilidad del operador
Costo y disponibilidad del equipo
Costo por muestra
Ing. Jorge S. Lezama Bueno46

47. Precisión
 La precisión de los datos analíticos se define como el
grado de concordancia mutua entre los datos que se han
obtenido de una misma forma.
 Indica la medida del error aleatorio, o indeterminado de
un análisis.
 Los parámetros de calidad de la precisión son:
 La desviación estándar absoluta
 La desviación estándar relativa
 El coeficiente de variación y
 La varianza
Ing. Jorge S. Lezama Bueno47

48. Sesgo
 El sesgo mide el error sistemático, o determinado de un
método analítico
 Se puede considerar que la media de 20 a 30 análisis
replicados es una buena estimación de la media de la
población de la concentración de un analito en una
muestra cuya concentración verdadera es xt
 En general, al desarrollar un método analítico, todos los
esfuerzos se dirigen hacia la identificación de la causa del
sesgo y a su eliminación o corrección, una forma puede
ser el calibrado del instrumento.
Ing. Jorge S. Lezama Bueno48

49. Sensibilidad
 Es una medida de la capacidad de un instrumento o
método, de diferenciar pequeñas variaciones en la
concentración del analito.
 Dos factores limitan la sensibilidad:
 La pendiente de la curva de calibrado y
 La reproducibilidad o precisión del sistema de medida.
 Entre dos métodos que tengan igual precisión, será más
sensible aquel cuya curva de calibrado tenga mayor
pendiente.
Ing. Jorge S. Lezama Bueno49

50. ¿Qué gráfica tiene mayor sensibilidad?
a b c
Ing. Jorge S. Lezama Bueno50

51. Límite de detección
 Es la mínima concentración o la mínima masa de analito
que se puede detectar para un nivel de confianza dado
Intervalo lineal
Ing. Jorge S. Lezama Bueno51

52. Selectividad
 La selectividad de un método analítico indica el grado de
ausencia de interferencia con otras especies que
contienen la matriz de la muestra.
 Por lo general, ningún método analítico está totalmente
libre de estas interferencias y, con frecuencia, hay que
realizar diversas etapas para minimizar sus efectos.
 Tarea: Responder el cuestionario de la unidad 1
Ing. Jorge S. Lezama Bueno52