Espectroscopia ICP y Ley de Lambert-Beer: Fundamentos y Aplicaciones Analíticas

Espectroscopia de Plasma Acoplado por Inducción (ICP)

La espectroscopia de plasma acoplado por inducción (ICP) es una técnica analítica fundamental para la determinación elemental. Su corazón es la antorcha tipo Fassel, un componente crucial para la generación del plasma.

La Antorcha Tipo Fassel

La antorcha tipo Fassel se fabrica a partir de cuarzo y consta de tres tubos concéntricos por los cuales fluye argón. En cada uno de ellos, el argón que circula cumple una función diferente:

• Tubo externo: Circula gas de enfriamiento. Su función es aislar del exterior y confinar el plasma.
• Tubo intermedio: Gas auxiliar. Su función es arrastrar e imprimir velocidad al aerosol de la muestra (generado con argón), haciendo que ascienda por el tubo interior de la antorcha de Fassel de forma circular. La medición se realiza en la parte superior.
• Tubo interno: Por este tubo asciende el aerosol de la muestra.

Los electrones chocan con el argón y lo ionizan, generando una reacción en cadena. Una vez encendido, se van generando las especies cargadas.

Temperaturas y Zonas del Plasma

Se alcanzan temperaturas de 8000-10000 K en la zona externa del plasma, la cual se acopla con el campo de radiofrecuencia. La zona analítica, donde se produce la excitación de los elementos, alcanza de 5000 a 6000 K y se sitúa en la zona interna del plasma, a una altura de 1-2 cm por encima de la bobina de inducción.

Uso del Argón en ICP

Se utiliza el argón por varias razones clave:

• Tiene un espectro simple y, además, es transparente en la zona UV-Vis.
• Los plasmas generados con argón alcanzan una temperatura suficientemente elevada para poder excitar a la mayoría de elementos.
• Al ser un gas noble, no forma compuestos estables ni con la matriz ni con otras sustancias, lo que minimiza interferencias químicas.

Generación del Plasma ICP

1. La energía generada por un generador de RF externo se acopla en torno a la antorcha.
2. Esta energía se acopla con el argón a través de un campo magnético producido en una bobina de inducción que rodea la antorcha, generando así el plasma.

Ley de Lambert-Beer: Fundamentos de Absorción Molecular

La Ley de Lambert-Beer es un principio fundamental en espectroscopia de absorción molecular, que describe la relación entre la absorbancia de una muestra y las propiedades del material a través del cual la luz viaja.

Fundamento Teórico

El fundamento de esta técnica se basa en la absorción molecular de la radiación. Al conocerse los diferentes niveles electrónicos y la diferencia de energía entre ellos, es posible determinar la longitud de onda exacta de la radiación incidente para provocar una transición. Es la longitud de onda (λ) de la radiación lo que provoca el tránsito a un estado excitado, y no la intensidad de la misma, debido a la cuantificación de los niveles electrónicos. Este fenómeno cuántico aumenta la selectividad de la espectroscopia.

Grupos Cromóforos y Auxocromos

La característica fundamental de una especie molecular que absorbe en el visible es la presencia de insaturaciones en su estructura.

• Los grupos cromóforos son especies químicas presentes en diferentes moléculas que permiten la absorción de radiación UV-Vis.
• Los grupos auxocromos son un tipo de grupos cromóforos que modifican la intensidad y la longitud de onda (λ) de la radiación necesaria para provocar una transición molecular. Se clasifican de la siguiente forma:
  • Auxocromos modificadores de λ:
    • Hipsocrómicos: si disminuyen λ.
    • Batocrómicos: si aumentan λ.
  • Auxocromos modificadores de I (intensidad):
    • Hipocrómicos: si disminuyen I.
    • Hipercrómicos: si aumentan I.

Formulación de la Ley de Lambert-Beer

La Ley de Lambert-Beer enuncia que, para una radiación monocromática, la absorbancia (A) es directamente proporcional al camino óptico a través del medio (l, en cm), a la absortividad molar de la especie absorbente (Ɛ, en L/mol·cm) y a la concentración de la especie absorbente (c, en mol/L).

La radiación monocromática aumenta la selectividad de la técnica. La Ɛ es un parámetro específico para cada especie absorbente y constante para una longitud de onda (λ) determinada. Cuando la radiación no absorbida se recoge en el detector, se comprueba que ha ocurrido un fenómeno de atenuación.

Transmitancia (T)

A partir de la absorbancia (A) se ha definido otro parámetro experimental: la transmitancia (T). Tomando como condición que la radiación incidente tiene una intensidad I₀ mayor que la de la radiación detectada, se define como T = I / I₀. Es importante recordar que solo la absorbancia es aditiva; la transmitancia no lo es.

Condiciones para el Cumplimiento de la Ley de Lambert-Beer

Para que la Ley de Lambert-Beer se cumpla de forma ideal, deben darse las siguientes condiciones:

• La absorción debe ser el único mecanismo de interacción con la materia.
• La radiación tiene que ser lo más monocromática posible.
• Actuación independiente de las especies absorbentes.
• La absorción debe limitarse a un pequeño volumen.

Desviaciones de la Ley de Lambert-Beer

Las desviaciones aparecen cuando no se cumplen uno o varios de los requisitos anteriores. Se clasifican en:

• Desviaciones Reales: Se producen por el efecto de la concentración, especialmente a altas concentraciones donde las interacciones moleculares pueden alterar la absortividad molar.
• Desviaciones Aparentes:
  • Instrumentales: Sus causas son variadas. Entre ellas, las más importantes son la llegada de radiación no monocromática al detector y la presencia de radiación parásita.
  • Químicas: Son las desviaciones más importantes, ya que pueden afectar a la forma de la especie objeto de la determinación (por ejemplo, por disociación, asociación o reacciones con el disolvente).