Análisis Instrumental

Unidad 1

Introducción Los ingenieros y los científicos disponen de una serie

impresionante de poderosas y selectivas herramientas en el campo de la Bilogía y de la Física, para obtener información cualitativa y cuantitativa acerca de la composición y estructura de la materia.

La clase de 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 el alumno de las ciencias ambientales, entiendan los principios fundamentales en los que se basan estos sistemas de medidas.

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.

La tecnología en el medio ambiente Presentación de cómo la tecnología ha

influenciado las ciencias ambientales Presentación

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

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.

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.

Tipos de Métodos Instrumentales

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)

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.

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 isntrumental

Instrumento para el análisis

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.

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

Componentes de los instrumentos

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.

Dominio de los datos

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?

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?

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

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.

La siguiente figura es un ejemplo de esta declaración

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

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

Ejemplo de señales analógicas

Dominios del tiempo En los dominios del

tiempo, la información se almacena como las variaciones de la señal respecto al tiempo

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

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.

Datos digitales

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.

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.

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.

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

Selección de un método analítico

Unidad 1

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.

Definición del problema1. ¿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?

Parámetros de calidadCriterios Cuantitativos

Tras características a tener en cuenta en la elección del métodoVelocidadFacilidad y comodidadHabilidad del operadorCosto y disponibilidad del equipo

Costo por muestra

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

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.

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.

¿Qué gráfica tiene mayor sensibilidad?

a b c

Límite de detección Es la mínima concentración o la mínima masa de

analito que se puede detectar para un nivel de confianza dadoIntervalo lineal

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