¿Qué es un espectrómetro? Explicación del espectrómetro UV, VIS e IR
Autor: Ng Ci Xuan – Becario de I+D
Editor: Bryan Ng – Gerente de marketing
Editor: Preethi – Ingeniero de soporte técnico
Publicado: abril 29 2020
1. ¿Qué es un espectrómetro?
El espectrómetro es un término general que describe un instrumento que separa y mide los componentes espectrales de una característica física. Son dispositivos que miden una variable continua en la que los componentes del espectro se separan de su mezcla original.
Existen varias variaciones de espectrómetros y algunos de los más comunes son el espectrómetro de resonancia magnética nuclear (RMN), el espectrómetro de masas y el espectrómetro óptico.
Espectrómetro de 1.1 RMN
El espectrómetro de RMN observa y mide la interacción de los espines de los núcleos cuando la muestra se coloca en un campo magnético fuerte y constante. La señal de RMN se produce cuando los núcleos interactúan con el campo magnético a una frecuencia que resuena con la frecuencia de los núcleos.
El campo magnético intramolecular que rodea al átomo en una molécula cambia con la frecuencia de resonancia, revelando así la estructura molecular de la muestra.
1.2 Espectrómetro de masas
Un espectrómetro de masas mide la relación masa-carga de los iones e identifica la composición de los elementos presentes en una muestra. Esto funciona ionizando una muestra, lo que hace que algunas de las moléculas se carguen y se separen según su relación masa-carga.
Estos iones luego son detectados por un dispositivo que puede detectar partículas cargadas.
1.3 Espectrómetro óptico
Un espectrómetro óptico mide las propiedades de la luz, normalmente cerca de la región óptica del espectro electromagnético, es decir, la luz ultravioleta, visible e infrarroja.
El cambio en la absorción y emisión de la intensidad de la luz con la longitud de onda permite identificar los materiales.
En este artículo, nos centraremos en el espectrómetro óptico.
2. Principio de funcionamiento de un espectrómetro
Un espectrómetro consta de tres componentes principales: rendija de entrada, rejilla y detector.
2.1 Hendidura de entrada
La luz de la fuente entra por la rendija de entrada y el tamaño de la rendija determina la cantidad de luz que puede medir el instrumento. El tamaño de la rendija también afecta la resolución óptica del espectrómetro, donde cuanto menor es el tamaño de la rendija, mejor es la resolución.
El rayo se vuelve divergente después de pasar a través de la rendija y al reflejar el rayo divergente en un espejo colimador, el rayo se vuelve colimado. Los rayos colimados se dirigen luego hacia una rejilla de difracción. La rejilla actúa como un elemento dispersivo y divide la luz en las longitudes de onda que la constituyen.
2.2 Rejilla
Un monocromador utiliza un fenómeno de dispersión óptica en un prisma o difracción de rejillas de difracción para seleccionar una longitud de onda de luz particular. En los espectrómetros tradicionales, se usaban prismas para dispersar la luz.
Sin embargo, con la invención de la rejilla de difracción, se convirtió en el monocromador más utilizado en los espectrómetros modernos ya que tiene más ventajas sobre el prisma.
Ambos dispositivos son capaces de dividir la luz en varios colores, pero se puede construir una rejilla de difracción para distribuir los colores en un ángulo mayor que un prisma. Los prismas también tienen una mayor dispersión sólo en la región UV, mientras que las rejillas de difracción tienen una dispersión alta y constante en todo el espectro UV, VIS e IR.
Una vez que la luz llega a la rejilla de difracción, cada longitud de onda se refleja en un ángulo diferente. También se utilizan rejillas de difracción de diferentes tamaños para determinar diferentes rangos de longitud de onda.
El haz se vuelve divergente nuevamente después de ser reflejado desde la rejilla, por lo que golpea un segundo espejo para enfocarlo y dirigirlo hacia el detector.
2.3 detectores
El detector captura los espectros de luz y mide la intensidad de la luz en función de la longitud de onda. Estos datos luego se digitalizan y se trazan en el software como un gráfico.
3. Partes de un espectrómetro
La sección anterior habló sobre cómo funciona un espectrómetro. En esta sección, se cubrirán los componentes de un espectrómetro y la variedad de cada componente.
3.1 Fuentes de luz
Las fuentes de luz que se encuentran comúnmente en un espectrómetro están hechas de halógeno de tungsteno, deuterio, arcos de xenón, LED, argón de mercurio, zinc o láser.
3.2 Hendidura de entrada
Las rendijas vienen en una variedad de tamaños, desde 5 μm hasta 800 μm con una altura de 1 mm a 2 mm. El tamaño de la ranura depende de la aplicación y las ranuras más comunes que se utilizan tienen anchos de 10, 25, 50, 100 y 200 μm.
Espejos 3.3
Los tipos de espejos más comunes son los espejos planos y esféricos. Los espejos esféricos se pueden dividir en dos tipos: espejos esféricos cóncavos y convexos. Sin embargo, en un espectrómetro, se suelen utilizar espejos esféricos cóncavos.
3.4 Rejillas de difracción
Hay dos tipos de rejillas de difracción disponibles en el mercado: rejilla reglada y rejilla holográfica.
Una rejilla reglada se produce grabando físicamente ranuras en una superficie reflectante utilizando una herramienta en forma de diamante en una máquina de remontar, mientras que una rejilla holográfica se produce mediante un proceso conocido como litografía de interferencia, que construye un patrón de interferencia utilizando dos rayos UV.
Las rejillas regladas se pueden flamear para longitudes de onda específicas y, por lo general, tienen una mayor eficiencia que las rejillas holográficas.
Las rejillas holográficas tienden a tener una forma y espaciado de surcos más uniformes y generan menos luz parásita a medida que se producen ópticamente.
3.5 titulares
Las muestras suelen ser líquidos, pero también se pueden analizar gases y sólidos. Las muestras generalmente se colocan dentro de una celda transparente, llamada cubeta. Los tubos de ensayo también se pueden usar en lugar de cubetas en algunos equipos.
El material utilizado para producir la cubeta depende del rango espectral que cubre el espectrómetro. La sílice fundida o el vidrio de cuarzo se utilizan comúnmente, ya que son transparentes a través de las regiones de UV a IR.
3.6 Detectores
Existe una amplia variedad de detectores que se utilizan en diferentes espectrómetros y algunos detectores comúnmente utilizados son el tubo fotomultiplicador (PMT), el fotodiodo, la matriz de fotodiodos, el dispositivo de carga acoplada (CCD), el bolómetro y el analizador multicanal (MCA).
3.7 Interfaz
La mayoría de los sistemas de espectrómetro interactúan con la computadora a través de USB, RS-232 o Ethernet. Con los avances tecnológicos, los sistemas más nuevos pueden transferir datos de forma inalámbrica mediante Wi-Fi y Bluetooth.
Software 3.8
Existen numerosos programas informáticos que pueden utilizarse con espectrómetros para la adquisición de datos. La mayoría de las empresas que fabrican estos instrumentos también ofrecen software compatible con el espectrómetro que producen. Por ejemplo, los espectrómetros de StellarNet incluyen su software, conocido como SpectraWiz.
Además de este tipo de software ya preparado, otros le permiten codificar y crear su programa, y personalizarlo según sus necesidades, es decir, LabVIEW, Visual C, C#, VB, VBA para MS Excel y MATLAB.
4. Uso de espectrómetros
Hay varios usos para un espectrómetro.
Un ejemplo es un espectrómetro UV que utiliza un rango espectral de 200 a 400 nm, instalado con una rendija de entrada de 200 μm de ancho, junto con una rejilla holográfica con un tamaño de ranura de 2400 g/mm y con un detector CCD de 2000 píxeles, puede detectar impurezas en moléculas orgánicas, como el benceno, que es una impureza común que se encuentra en el ciclohexano y su presencia puede detectarse fácilmente por su absorción con un pico a 255 nm en el espectro.
5. Tipos de espectrómetros ópticos
Los espectrómetros ópticos se pueden clasificar de dos formas. La primera forma es por su longitud de onda, mientras que la segunda forma es por sus propiedades de interacción de luz.
5.1 Longitud de onda
5.1.1 Ultravioleta (UV)
La espectroscopia UV utiliza luz en el rango ultravioleta, con longitudes de onda comprendidas entre 200 y 400 nm, para medir la cantidad de luz que absorbe o refleja una muestra y para determinar las concentraciones de los elementos presentes en ella.
Los electrones de la muestra se excitan desde el estado fundamental a un estado de mayor energía a medida que las moléculas absorben la energía emitida por la luz ultravioleta. La cantidad de energía que tienen los electrones es proporcional a la longitud de onda que pueden absorber.
La identificación de la muestra se realiza comparando el espectro producido cuando la muestra absorbe la luz ultravioleta con los espectros de compuestos conocidos.
Un espectrómetro UV generalmente usa lámparas de arco de deuterio, arco de xenón o halógenas de tungsteno. El tipo de rejilla utilizada suele ser una rejilla holográfica y el detector empleado suele ser un PMT, un fotodiodo, una matriz de fotodiodos o un CCD. Los detectores suelen tener un tamaño de píxel de 14 μm por 200 μm.
Un espectrómetro UV se usa comúnmente en industrias como la ciencia de los materiales, el control de calidad, la petroquímica, la alimentación y la agricultura, las ciencias de la vida, los componentes ópticos, etc.
También se suele utilizar en aplicaciones como la detección de impurezas, la presencia o ausencia de algún grupo funcional en un compuesto, identificación de compuestos, elucidación estructural de compuestos orgánicos, etc.
5.1.2 Visibles (VIS)
Un espectrómetro VIS funciona de la misma manera que un espectrómetro UV, con la diferencia de que este utiliza luz en la región visible del espectro electromagnético, es decir, con una longitud de onda de 400 nm a 700 nm, para identificar compuestos que no interactúan con la luz ultravioleta.
Este instrumento también puede determinar la concentración de sustancias en una muestra midiendo su transmitancia o intensidad de absorbancia.
Los halógenos de tungsteno, las lámparas de xenón y los LED se utilizan generalmente como fuentes de luz en un espectrómetro VIS.
Utiliza el mismo tipo de rejilla de difracción y detector que un espectrómetro UV. El espectrómetro VIS también se utiliza principalmente en las mismas industrias y aplicaciones que el espectrómetro UV.
5.1.3 Infrarrojos (IR)
El espectrómetro IR utiliza las transiciones vibracionales de una molécula orgánica con luz infrarroja para identificar materiales en los espectros IR.
La luz IR se puede dividir en tres partes entre 700 nm y 1 mm: infrarrojo cercano, medio y lejano, que está en relación con el espectro visible.
Los fotones del IR medio en adelante solo pueden inducir excitaciones vibratorias en átomos unidos covalentemente y no pueden excitar electrones ya que las energías no son lo suficientemente grandes.
La muestra absorbe la radiación IR y corresponde en energía a estas vibraciones. Esto permite registrar los espectros de absorción de los compuestos y los espectros son únicos para cada compuesto.
El espectrómetro IR de transformada de Fourier (FTIR), que recopila datos en un amplio rango, utiliza la transformada de Fourier para convertir datos sin procesar en un espectro.
El IR cercano, medio y lejano utilizan lámparas de tungsteno-halógeno, globar y lámparas de mercurio, respectivamente. El tipo de rejilla instalada suele ser rejilla reglada. Los espectrómetros NIR suelen utilizar fotodiodos InGaAs con un tamaño de píxel de 25 μm por 500 μm, mientras que los espectrómetros MIR utilizan detectores piroeléctricos con un tamaño de píxel de 48.5 μm por 48.5 μm y los espectrómetros FIR utilizan bolómetros a-Si o VOx de 75 μm por 75 μm de tamaño de píxel.
Esto generalmente se puede encontrar en industrias como la farmacéutica, la seguridad ambiental, los alimentos y los materiales. Las aplicaciones que utilizan el espectrómetro IR incluyen la caracterización de proteínas, la exploración espacial, la identificación de compuestos, el análisis de semiconductores a nanoescala, etc.
5.2 Interacciones
5.2.1 Absorción
Como sugiere su nombre, la espectroscopia de absorción mide la absorción de radiación, en función de la longitud de onda o frecuencia, de una muestra con la fuente.
La muestra absorbe energía de la fuente y la intensidad de absorción varía con la frecuencia, esta variación produce el espectro de absorción. Este método de espectroscopía se realiza en todo el espectro electromagnético.
La espectroscopia de absorción se utiliza para determinar los compuestos presentes en una muestra y medir su concentración. La espectroscopia UV, VIS e IR mencionada anteriormente son ejemplos de espectroscopia de absorción.
La fuente de luz más común utilizada en espectrometría de absorción es una lámpara de cátodo hueco y se utiliza un PMT como detector. Esto se utiliza a menudo en teledetección, astronomía y física atómica y molecular.
5.2.2 Reflectancia
La espectroscopía de reflectancia mide la cantidad de luz que se ha reflejado o dispersado de una muestra.
Se dice que los fotones de la fuente que se reflejan en la muestra o se refractan a través de la muestra están dispersos.
Luego, estos fotones dispersos se detectan y registran. Esto da como resultado un gráfico de reflectancia frente a longitud de onda.
Los sistemas de espectroscopia de reflectancia suelen utilizar láseres, diodos superluminiscentes, LED o lámparas halógenas como fuente de luz y CCD, fotodiodos o MCA como detectores.
El espectrómetro de reflectancia se usa en la industria médica para proporcionar información sobre la concentración de tejido y también se puede usar en industrias como la ciencia ambiental y la geología.
5.2.3 Transmitancia
La espectroscopia de transmisión se refiere a la medición de la cantidad de luz que atraviesa una muestra sin cambios.
Está muy relacionado con la espectroscopia de absorción, por lo que comparten una configuración similar.
Un espectro de transmisión tendrá sus picos más altos en las longitudes de onda donde la absorción es más débil a medida que pasa más luz a través de la muestra.
Dependiendo del rango espectral, se utilizan diferentes fuentes de luz. Con frecuencia se utilizan lámparas LED, halógenas de tungsteno o de deuterio. Los detectores típicos elegidos son fotodiodos y CCD. Esto se usa a menudo en el análisis farmacéutico.
5.2.4 Fluorescencia
Como se mencionó en la espectroscopia UV, los electrones en una muestra se excitan cuando absorben la luz y pasan del estado fundamental a un estado electrónico superior que consta de varios estados de vibración.
Los electrones excitados pueden transitar a su estado fundamental emitiendo un fotón y este proceso se conoce como fluorescencia.
Como los electrones pueden caer en cualquiera de los diversos niveles de vibración en el estado fundamental, los fotones emitidos contendrán diferentes cantidades de energía y, por lo tanto, variarán las intensidades y las longitudes de onda.
Por lo tanto, la espectroscopia de fluorescencia se define como la medida de la cantidad de fluorescencia de una muestra. Por lo general, utiliza luz en el rango UV o VIS para la excitación de electrones.
La fluorescencia se mide mediante espectrómetros de fluorescencia y mide varias características de la fluorescencia, como la intensidad y la distribución de la longitud de onda de la emisión. El espectro de emisión luego revela qué longitudes de onda emiten las muestras.
Los instrumentos que miden la fluorescencia se conocen como fluorómetros. Los fluorómetros suelen utilizar láseres, LED, arco de xenón o lámparas de vapor de mercurio como fuente de luz. Los fotodiodos o PMT generalmente se seleccionan como detectores en espectroscopia de fluorescencia.
Este método de espectroscopia se puede encontrar comúnmente en las industrias médica, bioquímica y de monitoreo ambiental. Las aplicaciones incluyen el diagnóstico de cáncer en tejidos humanos, la detección de impurezas o la identificación y medición de concentraciones de sustancias, y la detección de diversas bacterias, virus y parásitos que causan infecciones.
5.2.5 Dispersión
Cuando la luz atraviesa la materia, la mayor parte continúa en su dirección original, sin embargo, una pequeña parte se dispersa en otras direcciones.
Esta técnica se basa en la teoría de la dispersión Raman. El efecto de dispersión es la dispersión inelástica de los fotones por la materia, lo que significa que hay un cambio en la dirección de la luz y los fotones pierden energía después de interactuar con la muestra.
Por lo general, las moléculas obtendrán energía vibratoria de los fotones incidentes.
La mayor parte de la luz que se dispersa no cambia en energía y esta es la dispersión de Rayleigh. La dispersión Raman se compone de una fracción extremadamente diminuta de fotones dispersos (aproximadamente 1 en 10 millones).
Al analizar el cambio vibratorio en la muestra, se pueden determinar propiedades como la composición química, la cristalinidad y las interacciones moleculares. Como se mencionó anteriormente, la dispersión Raman es muy débil, por lo que se necesita un espectrómetro de alta sensibilidad para examinar la luz.
Este instrumento se usa comúnmente en industrias como la química, la física, la farmacéutica, las artes y la medicina. Ayuda a identificar moléculas y examinar enlaces químicos, caracterizar y estudiar estructuras de materiales, descubrir medicamentos falsificados en envases, estudiar biominerales, etc.
6. Espectrómetro Raman
La espectroscopia Raman se basa en la interacción de la luz (normalmente un láser) con los enlaces químicos de un material.
La luz se dispersa directamente de la muestra y se pasa a través de un filtro para eliminar las partículas de la dispersión de Rayleigh.
La luz restante de la dispersión Raman se dirige luego a una rejilla de difracción antes de dirigirse hacia el detector.
Eventualmente produce un espectro Raman donde cada pico e intensidad pueden proporcionar alguna información sobre la muestra.
El espectrómetro Raman utiliza solo láser de onda continua como fuente de luz.
Los láseres en el rango espectral de rojo a NIR se utilizan generalmente, sin embargo, el uso de láseres visibles en azul y verde está aumentando en los últimos años.
También emplea rejilla holográfica como monocromador y CCD como detector.
7. Espectrómetro vs. Espectrofotómetro
A menudo se confunden los espectrómetros con los espectrofotómetros. Un espectrofotómetro es un instrumento que mide las propiedades de transmisión y absorción de la luz en función de la longitud de onda de un material.
Por lo general, se trata de luz en el rango de luz ultravioleta cercana a luz visible e infrarroja cercana. El espectrofotómetro en sí contiene un espectrómetro y una fuente de luz para iluminar mejor la muestra.
El principio de funcionamiento es similar al del espectrómetro, donde se usa un monocromador para seleccionar una longitud de onda de luz para alcanzar la muestra. Dependiendo de la opacidad de la muestra, la luz se refleja o se transmite. Luego, el detector registra la intensidad de la luz reflejada o transmitida.
Esto se repite con el monocromador a diferentes longitudes de onda para que el detector mida el cambio en la intensidad de la luz. La salida final sería un espectro de absorción en función de la longitud de onda.
8. ¿Dónde comprar un espectrómetro confiable?
Ahora que sabe qué es un espectrómetro y sus aplicaciones, debe saber dónde comprar uno confiable. Puede comprar espectrómetros fiables en Wavelength Opto-Electronic.
Somos el distribuidor de espectrómetros StellarNet, ofreciendo espectrómetros ópticos para medidas en UV, VIS y NIR, desde longitudes de onda de 190 – 2300nm. Los espectrómetros StellarNet están diseñados para ser portátiles y compactos sin partes móviles.
