Fundamentos de Espectroscopía: Ley de Beer, Fluorescencia y ETAAS

Desviaciones de la Ley de Beer-Lambert

La relación lineal descrita por la Ley de Beer-Lambert se cumple rigurosamente solo para soluciones diluidas. Sin embargo, pueden producirse desviaciones por diversas causas:

• Desviaciones por Concentración:

  A concentraciones elevadas, las interacciones entre las moléculas del analito o cambios en el índice de refracción pueden causar desviaciones de la linealidad.

• Desviaciones Instrumentales:

  Ocurren si la radiación utilizada no es suficientemente monocromática (el instrumento no aísla una única longitud de onda) o por luz parásita.

• Desviaciones Químicas:

  Se deben a que el analito participa en equilibrios químicos (asociación, disociación, reacción con el disolvente) cuya posición depende de la concentración. Estas desviaciones a veces pueden minimizarse ajustando las condiciones del medio, como la acidez o basicidad.

  Para corregir interferencias o derivatizar analitos en ciertos métodos colorimétricos, se pueden utilizar reactivos específicos como:

  • Difenilcarbazida
  • Ditizona (ej., para Hg)
  • Dietilditiocarbamato (ej., para Cu)
  • Ion Tiocianato (ej., para Fe)

Relación entre Intensidad de Fluorescencia y Concentración

La intensidad de fluorescencia (F) se relaciona con la concentración del analito (C). La relación fundamental implica:

• Φ: Rendimiento cuántico de fluorescencia (eficiencia del proceso).
• (I₀ - I): Intensidad de la radiación absorbida por la especie.

Agrupando las constantes (k') que incluyen factores instrumentales y la absortividad molar (ε) y el paso óptico (b), para bajas concentraciones, la intensidad de fluorescencia es directamente proporcional a la concentración:

F ≈ k' * Φ * I₀ * ε * b * C

Esta relación lineal solo es válida para bajas concentraciones. A altas concentraciones, debido a efectos de autoabsorción y quenching, la relación se desvía del comportamiento lineal.

Medición mediante ETAAS (Espectrometría de Absorción Atómica Electrotermica)

La ETAAS, también conocida como espectrometría de absorción atómica en horno de grafito, es una técnica de alta sensibilidad.

Procedimiento:

1. La muestra (líquida o sólida) se deposita en un pequeño tubo de grafito, a menudo sobre una plataforma (ej., Plataforma L'vov).
2. El tubo está sujeto por contactos eléctricos que permiten calentarlo resistivamente siguiendo un programa de temperatura controlado.
3. Un flujo de gas inerte (generalmente Argón) circula por dentro y/o fuera del tubo para protegerlo de la oxidación y ayudar a eliminar la matriz durante las etapas de secado y calcinación.
4. En la etapa final de atomización a alta temperatura, los átomos libres del analito se forman en la fase gaseosa dentro del tubo.
5. Se mide la absorbancia de la radiación proveniente de una lámpara específica para el elemento, que atraviesa la nube atómica.

Ventajas:

• Permite el análisis de cantidades muy pequeñas de muestra (microlitros o microgramos).
• Alta sensibilidad (límites de detección bajos).
• Requiere un flujo de gas Argón relativamente bajo (pocos litros por minuto).

Conceptos Fundamentales en Espectrofotometría

Transmitancia (T)

Se refiere a la fracción de la luz incidente que atraviesa una muestra a una determinada longitud de onda.

T = I / I₀

• I: Intensidad de la luz transmitida por la muestra.
• I₀: Intensidad de la luz incidente.

Absorbancia (A)

Es una medida logarítmica de la cantidad de luz absorbida por la muestra a una determinada longitud de onda. Se relaciona con la transmitancia:

A = -log(T) = log(I₀ / I)

Según la Ley de Beer-Lambert, la absorbancia es directamente proporcional a la concentración del analito (C) y al paso óptico (b): A = ε * b * C.

Absortividad Molar (ε)

Es una constante característica de una sustancia a una longitud de onda dada, que mide cuán fuertemente absorbe la luz. Se define como la absorbancia de una solución de concentración 1 M en una cubeta con un paso óptico de 1 cm. Sus unidades típicas son L mol⁻¹ cm⁻¹.

Paso Óptico (b)

En el contexto de la Ley de Beer-Lambert, se refiere a la longitud del camino que la radiación recorre a través de la muestra. Usualmente, es el ancho interno de la cubeta utilizada para contener la muestra, expresado comúnmente en centímetros (cm).

Obtención de Rayos X

Una forma de generar rayos X es mediante una fuente de tipo secundario, como en la técnica de Fluorescencia de Rayos X (XRF). Este proceso consiste en:

1. Exponer una sustancia (muestra) a un haz primario de rayos X de alta energía o a un haz de electrones.
2. La radiación primaria excita los átomos de la muestra, expulsando electrones de las capas internas.
3. Los huecos electrónicos se llenan mediante la transición de electrones desde capas más externas.
4. Esta transición libera energía en forma de rayos X característicos (fluorescencia), cuya energía es específica de cada elemento presente en la muestra.

Electrodo de Vidrio

Es un tipo de electrodo selectivo de iones (ISE) muy común, utilizado principalmente para medir el pH (concentración de iones H⁺).

Funcionamiento:

• Consiste en una membrana delgada de un vidrio especial, sensible a ciertos iones (típicamente H⁺).
• Esta membrana separa una solución interna de referencia (con una concentración conocida del ion) de la solución externa (la muestra cuya concentración iónica se quiere medir).
• Se desarrolla una diferencia de potencial eléctrico a través de la membrana, cuyo valor depende de la diferencia en la concentración (o más precisamente, actividad) del ion entre ambas soluciones.
• Este potencial se mide con respecto a un electrodo de referencia externo.