¿Qué es un espectrómetro?

Un espectrómetro es un instrumento que se utiliza para medir la variación de las características físicas en un rango determinado, como la dispersión de la luz. Puede medir el espectro de relación masa-carga en un espectrómetro de masas, las diferentes frecuencias de resonancia nuclear en un espectrómetro de RMN o la variación en la emisión y absorción de luz, con una longitud de onda en un espectrómetro óptico.

El tipo más común de espectrómetro que se utiliza para la investigación es el óptico, como la dispersión de la luz a través de un prisma. Si alguien menciona «espectrómetro» sin agregar un calificador, generalmente se refiere a un espectrómetro óptico.

¿Cómo funciona un espectrómetro óptico?

El objetivo de un espectrómetro óptico, como un espectrómetro de prisma, es medir la absorción, dispersión y reflexión de la radiación junto con la emisión de radiación electromagnética de una muestra; la emisión puede incluir fosforescencia, fluorescencia y electroluminiscencia.

El análisis espectroscópico se ocupa de observar la radiación electromagnética que cae dentro de la región óptica del espectro electromagnético; esto incluye las luces que se extienden dentro de las regiones de longitud de onda visible, ultravioleta e infrarroja de un espectro.

Para obtener la máxima información, la emisión de luz o la interacción debe establecerse como una característica general y una función normal de la longitud de onda. Si la sección de longitud de onda precisa no es importante, puede optar por espectrómetros de bajo costo; aquí, los filtros ópticos aislarán la longitud de onda según la región interesada.

Si la longitud de onda precisa es una prioridad, querrá usar un elemento dispersivo que logre separar la luz en espectros de generación y longitudes de onda constituyentes.

Todos los espectrómetros modernos incluyen la dispersión de la luz, es una rejilla de difracción que tiene interferencia destructiva y constructiva. Estas interferencias se utilizan para separar la luz policromática, espacialmente, sobre la rejilla.

Un monocromador es una unidad que se utiliza para seleccionar una longitud de onda de luz específica de una fuente de luz policromática; Las rejillas de difracción son características esenciales en un monocromador. El monocromador gira la rejilla de difracción para manipular y cambiar la longitud de onda para que se alinee y pase por la rendija de salida.

Todos los espectrofotómetros tienen monocromadores de excitación, se utilizan para seleccionar la longitud de onda de salida deseada para llegar a la muestra de la fuente de luz blanca. Los espectros se miden cambiando la señal en función de la longitud de onda de excitación y escaneando el monocromador.

Hay dos enfoques utilizados para detectar la luz emitida por una muestra. El primer enfoque incluye un monocromador de emisión, toma la fuente de luz de una muestra y el monocromador selecciona qué longitud de onda llega al detector.

El segundo enfoque incluye detectar un espectro de luz dispersa, simultáneamente; esto se hace usando un detector de matriz, que se llama espectrógrafo.

Tipos de espectrómetros ópticos

Una vez que haya entendido qué es un espectrómetro y el papel que desempeña en la dispersión de la luz, ahora podemos aprender sobre los distintos tipos de espectrómetros, sus diseños básicos y sus funciones. Los tres espectrómetros comunes incluyen espectrómetros Raman, espectrofluorómetros y espectrofotómetros.

Espectrómetros Raman

El espectrómetro Raman se utiliza para el análisis espectroscópico de la luz de una muestra. La luz blanca y la excitación del prisma monocromador se sustituyen por un láser; hay dos razones para esto.

En primer lugar, ‘Raman’ es un efecto de dispersión y la luz no es absorbida por la muestra. Por lo tanto, no necesitará una fuente de luz sintonizable de banda ancha para igualar las características de absorción. En segundo lugar, el efecto Raman es más débil que la fluorescencia y las fuentes que incluyen un alto flujo de fotones.

Espectrofluorómetro

Esto también se conoce como espectrómetro de fluorescencia/fotoluminiscencia y se utiliza para medir la emisión de fluorescencia de una muestra. Existe una convención general de que el espectrofluorómetro es un instrumento compacto de sobremesa y su tamaño es similar al espectrofotómetro.

El lado de excitación de esta unidad es similar al espectrofotómetro, lo que significa que incluye una fuente de luz blanca y un monocromador de excitación. Las lámparas de arco se utilizan como fuente de luz porque tienen un alto rango de brillo que puede ser útil para medir cualquier emisión de fluorescencia débil.

Espectrofotómetro

Este término se puede utilizar para describir una variedad de herramientas que se utilizan para medir la luz, la definición exacta depende del área científica o la industria. El término ‘foto’ se usa para el espectrómetro porque ayuda con la medición cuantitativa de la intensidad de la luz con la longitud de onda.

La medida común que toma este instrumento es medir el espectro de muestra de absorción. Aquí es donde se lleva a cabo el escaneo del monocromador de excitación, también monitorea el cambio en la intensidad de la luz cuando se transmite a través de una muestra.

Comprender la dispersión de la luz en un espectrómetro

El haz incidente de luz blanca debe resolverse en sus longitudes de onda constituyentes antes de que pueda proporcionar información química relevante sobre la estructura molecular y la composición de los materiales. La propiedad básica de absorbancia máxima a longitudes de onda específicas por diferentes entidades químicas es la base de la estimación química en análisis de laboratorio de rutina utilizando técnicas de análisis espectroscópico óptico rápido.

prismas

Un prisma es un bloque triangular de vidrio o cuarzo con superficies lisas y pulidas que se utiliza para dispersar el haz de luz incidente en sus longitudes de onda o colores constituyentes.

El vidrio absorbe la luz en la región UV y no se usa para estudios de absorbancia en el rango de longitud de onda de aproximadamente 200 a 350 nm. Por otro lado, el cuarzo se puede utilizar tanto en regiones visibles como UV. Sin embargo, aunque los prismas ofrecen un medio de dispersión de menor precio, sufren una dispersión no lineal en longitudes de onda más largas, es decir, en el extremo superior de la región visible, por ejemplo, de 600 a 800 nm y las longitudes de onda dispersas parecen estar muy juntas.

rejillas

Las rejillas son superficies planas en las que se graban ranuras y la distancia entre las ranuras o líneas grabadas es del orden de las longitudes de onda de la luz que se va a dispersar. Las rejillas son más costosas que los prismas, pero ofrecen ventajas ya que la luz dispersada está libre de distorsiones no lineales sobre las longitudes de onda dispersas.

monocromador

Un monocromador es una disposición de elementos ópticos utilizados en un espectrómetro para aislar las bandas de longitud de onda deseadas para llevar a cabo el análisis espectroscópico.

La configuración monocromática comúnmente utilizada, también conocida como monocromador de rejilla Czerny-Turner, se describe brevemente. Los componentes principales comprenden:

Ranura de entrada: la luz de banda ancha de la fuente de luz se colima en un haz angosto según el ancho de la rendija de entrada que luego se conduce a un espejo cóncavo que refleja y extiende el haz sobre la superficie de la rejilla.

Rejilla: la rejilla dispersa el haz incidente en sus longitudes de onda constituyentes. Una rejilla fija dispersa el haz incidente en un patrón definido. Por otro lado, la rejilla se puede girar sobre su eje central para expandir el patrón de difracción para cubrir bandas anchas de longitud de onda. El haz disperso reflejado es conducido al segundo espejo cóncavo.

Ranura de salida: la luz dispersa reflejada llega a la rendija de salida que se encuentra en el plano focal del segundo espejo cóncavo. El ancho de la rendija de salida se puede fijar o variar para obtener una mayor intensidad de luz para determinaciones sensibles. Sin embargo, el ancho de la rendija de salida debe optimizarse para obtener lo mejor de una mayor intensidad del haz y, al mismo tiempo, evitar la dispersión en la banda de longitudes de onda del haz aislado.

Para aislar la banda de longitud de onda de interés y seleccionar el ancho óptimo de la rendija de salida, siempre es útil realizar mediciones de absorbancia de prueba antes de realizar las observaciones finales en condiciones óptimas.

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