Un poco sobre la Espectroscopia de Emisión Atómica (EEA) y sus méto...

Saludos amigos de stem-espanol hace algunas semanas publique sobre la espectroscopia atómica, en el mencionaba que este tipo de espectroscopia se dividía en tres técnicas, la primera es la de absorción la cual explique en el post anterior, la segunda de emisión de la cual hablare en este artículo y la tercera de flourescencia.

Es un método analítico que se basa en la energía radiante emitida por átomos de un elemento que se encuentren en cierto estado de la materia. Pero ustedes se preguntarán para qué sirve esto? ¿cuáles son las aplicaciones? Sin duda alguna son las interrogantes más importantes, porque quizás muchas personas puedan leer cierto contenido científico relacionado con algún equipo y lo primero que se les viene a la mente para que sirve esto?.

Lo primero que puedo decir es que se puede usar para análisis cualitativos de cualquier material, por ejemplo, este tipo de análisis se puede utilizar en la determinación de potasio en cierta muestra de licor como el vino, también el porcentaje de calcio en la leche, elementos presentes dentro del agua, entre muchas más.

En este escrito voy a hablar un poco de cómo es el proceso experimental para obtener espectros de emisión atómica. Primeramente, debo hablar sobre la teoría involucrada en este proceso.

Entonces, podemos decir que la EEA es una técnica experimental usada para el análisis químico de diversos materiales, este método analiza las diferentes longitudes de onda de un fotón emitido por los átomos o moléculas dentro del material creando una transición de niveles energéticos, es decir de un nivel excitado a un nivel de energía más baja. La radiación que se emite debido al fotón es el estudio que se realiza en toda la región del espectro. Posteriormente al absorber energía estos se excitan y permanecen en un nivel energético por un periodo de tiempo muy corto. Al volver la molécula a su estado fundamental emite la energía que sobra en forma de luz. Todo este proceso es ocasionado cuando la muestra se somete a una gran descarga de electricidad suministrada por una fuente.

Cada elemento, compuesto, sustancia o cualquier material en particular tiene un espectro característico que lo identifica, como he mencionada en anteriores publicaciones el espectro es la huella dactilar de un compuesto. Este material analizado presenta un conjunto característico de longitudes de onda discretas en función de su estructura electrónica, es decir la emisión de fotones genera este conjunto en particular. Gracias a este estudio podemos observar estas longitudes de onda y a partir de ellas poder determinar la composición química del material analizado.

Algo bastante importante a destacar es que la espectroscopia de emisión de desarrollo durante la década de los 90 perfeccionándose de manera espectacular hasta hoy en día, todos estos esfuerzos por los científicos para explicar los espectros condujeron a la mecánica cuántica.

Existen varias formas en que las moléculas dentro del material analizado o átomos puedan alcanzar un nivel de excitación, es acá donde se crea el primer método de emisión y más sencillo el cual consiste en calentar a una temperatura muy alta el material, por tal motivo la consecuencia inmediata es que los átomos se excitan, este método es conocido como La espectroscopia de emisión atómica por llama.

Dato curioso Anders Ångström descubrió las líneas de emisión discretas en el año 1850. La espectroscopia de emisión por llama se fundamenta en este descubrimiento.

En cierto modo sabemos que estas líneas de emisión son causadas por una transición de niveles energéticos que están cuantizados, es claro que esto no lo podemos observar a simple vista ya que presentan una anchura muy finita, significa que están compuestas por más de una longitud de onda de luz.

Otro dato curioso: Las líneas de emisión en los gases calientes fueron descubiertas por Ångström, y la técnica fue desarrollada por David Alter, Gustav Kirchhoff y Robert Bunsen.

Instrumentación

Básicamente se usan los mismos componentes que en la espectroscopia de absorción atómica y el principio de fundamento es el mismo, la única diferencia es que se emplean diferentes métodos experimentales para el análisis de las muestras.

^{Espectrómetro de emisión óptica de plasma acoplado inductivamente Licencia CC BY-SA 3.0 de Karel}

Una fuente de excitación con pueda alcanzar elevadas temperaturas.

De igual forma las muestras deben usar un nebulizador y luego pasan a la fuente de emisión por cual fluye un gas, en este caso serían las muestras líquidas.

Las muestras sólidas se pueden incorporar en el espectrómetro a través de una fuente de excitación, cuando fuente de luz monocromática (láser) irradia la muestra, estas deben estar en un espacio de aparato de suspensión o ablación y el corriente gas fluye a través de la muestra. De igual forma estas muestras podrían ser vaporizadas y excitadas por medio de un electrodo que genera una pequeña chispa de corriente gracias a la luz láser. Luego siguen las diferentes etapas desolvatación, atomización por medio de sus componentes.

Finalmente, un Sistema dispersivo que se encarga de medir la radiación emitida por los átomos o moléculas de la muestra analizada. Y un Sistema de detección cuyo trabajo es detectar la radiación atómica de la muestra y luego enviarle a un software especializado donde podemos realizar el análisis espectral.

Ahora bien, conocemos en qué consiste y para qué sirve la EEA. Pero aún no sabemos cómo obtener estos espectros. A continuación, explicare un poco sobre los métodos experimentales usados en este tipo de espectroscopia.

Emisión por llama, en este método una llama es la fuente de emisión, en este caso debe proporcionar una temperatura muy alta para que la muestra tenga la capacidad para para que las moléculas y iones puedan interactuar dentro del soluto y luego puedan ser dispersadas, a esto se le conoce como desolvatación, también se deben tener átomos libres para que se pueda analizar el espectro por medio de la vaporización.

^{Este es un quemador usado en el método de llama donde la solución es aspirada totalmente por la llama. Diseñado específicamente para la EEA, todo el proceso ocurre dentro de la llama (desolvatación, atomización y excitación). @carloserp-2000}

Otros sistemas son diseñados para que el proceso de nebulización se forme antes de que llegue al quemador, es decir el combustible y el óxido se mezclan e interaccionan antes del proceso de llama en el quemador

^{Evaluación fotométrica de llama de iones de calcio disueltos en diferentes concentraciones Licencia CC BY-SA 3.0 de Panek}

Una pequeña diferencia entre EAA y EEA es que en la primera los átomos deben estar en el estado fundamental, en cambio la emisión se deben excitar estos átomos a niveles de energía mayores.

Plasma acoplado inductivamente, en este método se usa son los siguientes componentes: tubos concéntricos fabricados de cuarzo, una bobina de radiofrecuencia que genera una inducción que se pueda refrigerar con agua y una bobina de Tesla que genere una pequeña chispa de ionización del argón

Pero antes de explicar este método experimental debemos saber ¿Qué es el plasma?. Es una mezcla gaseosa que tiene la propiedad de conducir corriente eléctrica y esto es debido a que posee una cantidad considerable de electrones y cationes. Los materiales conductores contienen iones de argón y electrones con un porcentaje menor de cationes. Cuando se forman los iones de argón estos tienen la maravillosa capacidad de absorber la energía de una fuente y así poder mantener temperaturas bastantes altas.

^{Antorcha de plasma de argón acoplado inductivamente Licencia CC BY-SA 3.0 de Wblanchard}

El método del plasma acoplado inductivamente posee una fuente de excitación de una temperatura que varía aproximadamente entre los 8000 y 10000K. Esta desolvatada, vaporiza y a su vez excita los átomos o moléculas de materiales con una eficiencia impresionante.

^{"Antorcha" de plasma en un espectrómetro de masas de plasma de argón de acoplamiento inductivo Licencia CC BY 3.0 de Sigmo}

En resumen, la técnica necesita una muestra de cierto material donde en primer lugar se debe nebulizar, luego es arrastrada a través de una corriente de gas con un soporte de Argón. Posteriormente la parte superior de la plasma llamada antorcha que está compuestas de los tubos de cuarzo concéntricos, a su vez contiene un aerosol que va con la muestra y el soporte de gas y el tubo que está en la parte exterior contiene de igual manera gas de argón para poder enfriar los tubos. Un generador magnético se encarga de producir una corriente que oscila en la bobina inductiva (de aquí se refiere al nombre de la técnica) esta corriente está envuelta en los tubos, la bobina inductiva produce un campo magnético que a su vez produce uno oscilante donde establece la corriente entre iones y electrones del gas, donde finalmente generan esa energía a otros átomos del gas de la muestra por medio de diversas colisiones que crean un plasma con una temperatura bastante elevada.

Existen otros métodos que se basan en plasma tales como; plasma de corriente continua, plasma inducido por láser y plasma inducido por microondas.

Arco y Chispa eléctrica, para que se pueda excitar los átomos dentro de la muestra se necesita una fuente de chispa o arco como su nombre lo indica, esta consiste en una descarga de corriente eléctrica continua entre los electrodos del instrumento para poder vaporizar y posteriormente excitar los átomos, estos electrodos se fabrican normalmente de metal o grafito, dependiendo del tipo de muestra que se desee analizar. Esta técnica es muy usada en la industria del metal por su gran eficiencia.

A través del Arco o Chispa podemos obtener espectros de emisión muy eficaces, permite la obtención de una análisis cualitativo y cuantitativo de diversos elementos metálicos en distintos tipos de muestra, ya sean suelos, compuestos, aleaciones, entre otros.

^{Proceso de del método experimental de Arco y Chispa para la emisión atómica de espectros. @carloserp-2000}

En el pasado, las condiciones de chispa o arco no fueron bien controlados, el análisis de los elementos de la muestra era cualitativos. Sin embargo, fuentes de chispas modernas con descargas controladas pueden ser considerados cuantitativos. Tanto el análisis cualitativo como el cuantitativo de chispa son ampliamente utilizados para el control de calidad de la producción en las fundiciones y acerías.

Debemos tomar en cuenta ciertas consideraciones para el manejo del equipo de emisión atómica:

Una de las características importantes que debe presentar el equipamiento es una buena fuente de emisión que pueda eliminar completamente la muestra del material analizado desde el inicio hasta el final, es decir eliminar su matriz original con la finalidad de eliminar todas interferencias posibles que se puedan presentar durante la fase de medición. Importante que la fuente de emisión pueda realizar un excelente proceso de atomización, pero mínima ionización de la muestra para poder realizar un barrido perfecto.

La fuente debe ser controlada eficazmente que puede proporcionar la energía adecuada para poder excitar los átomos o moléculas de la muestra. Debe poseer un rango que abarque solvente orgánicos e inorgánicos, que se pueda acoplar a cualquier tipo de materiales.

El medio ambiente que rodea el proceso debe ser limpio, adecuado para el proceso. Por lo general se requiere un medio químico totalmente inerte que no permita la formación de organismo inadecuados que puedan ocasionar daño a la muestra analizada como por ejemplo un material oxidable, carburos, entre otros.

Y lo más importante sin duda que debe tener una fuente de emisión es su operación que sea fácil, manejable y sobre todo de bajo costo si es necesario.

Algunas ventajas y desventajas de EEA

La principal ventaja de estos métodos es que poseen una eficacia bastante considerable, los errores son despreciables, sin embargo, la preparación de las muestras debe hacerse con mucho cuidado porque el equipo es muy sensible al detectar impurezas que pueda ocasionar daños en las mediciones. A su vez puede realizar análisis simultáneamente de varios elementos en concentración de varios órdenes de magnitud.

Los métodos abarcan diferentes análisis de diversos materiales, es decir posee muchas aplicaciones en diferentes áreas tales como:

Agricultura y alimentos, fertilizantes, materiales vegetales con la ventaja que no se necesita ningún tratamiento específico para la preparación de las muestras.

Biología, para el análisis de diferentes organismos.

Clínica, para análisis de sangre, heces.

El medio ambiente con la finalidad de detectar cualquier tipo de contaminación en aguas. También incluyen análisis de suelo, sedimentos, tejidos animales y vegetales.

Y por supuesto en física y química en la determinación de concentraciones de metales y no metales.

Posee algunas Desventajas:

Los equipos para realizar estas medidas son bastante costosos. A diferencia de EAA se necesitan menos recursos para poder operar este tipo de equipos experimentales.

Sensible a cualquier impureza.

Y esto es todo por esta oportunidad, en una próxima publicación hablaré sobre la espectroscopia de fluorescencia atómica.

Espero os gustase mi escrito.