¿Qué es un Espectrómetro?
Un espectrómetro es un dispositivo que separa los componentes de la luz para medir sólo la intensidad de la luz de la longitud de onda que se desea medir a partir de una mezcla de luz sintética de varias longitudes de onda.
Recientemente, muchos espectrómetros han integrado un detector de la luz separada, y el proceso completo, desde la separación de la luz hasta el mecanismo de detección, a veces se denomina colectivamente espectrómetro.
Usos de los Espectrómetros
Los espectrómetros se utilizan en todas las industrias y situaciones de investigación porque, en principio, pueden espectroscopiar fuentes de luz en varias bandas de longitud de onda (fuentes), ya sean reflejadas o transmitidas, y desde ondas de radio hasta radiaciones, así como luz visible.
En química analítica, se utilizan para medir la intensidad de la luz solar y la emisión de plasma, y también para evaluar propiedades ópticas como la reflectancia de los materiales.
También suelen incorporarse, sin saberlo, a las líneas de control de calidad que detectan la luz reflejada u otras longitudes de onda arbitrarias en las líneas de inspección de productos mediante fuentes de luz como el láser.
Principios de los Espectrómetros
Generalmente, para espectroscopiar una fuente luminosa, primero hay que dar forma a la luz.
Tras ajustar la resolución de la luz haciendo pasar la fuente luminosa a través de una abertura denominada rendija, la fuente luminosa se colima mediante un colimador formado por lentes y espejos.
La espectroscopia se consigue pasando esta luz colimada a un espectrógrafo. Existen dos tipos de espectrómetro: el de rejilla de difracción, que utiliza el fenómeno de difracción de la luz, y el de prisma, que utiliza el fenómeno de refracción de la luz.
En el tipo de rejilla de difracción, la espectroscopia se lleva a cabo utilizando la reflexión de la luz por rejillas de difracción grabadas a intervalos regulares en la superficie del monocromador, de modo que la longitud de onda y la resolución de la luz que puede detectarse pueden variar cambiando el patrón de difracción.
El principio del monocromador de tipo rejilla de difracción se explica aquí mediante un diagrama.
Las rejillas de difracción pueden ser del tipo de transmisión o de reflexión. Cuando la luz colimada de una fuente de luz (luz blanca) que contiene luz de varias longitudes de onda incide en una rejilla de difracción, se forman múltiples rejillas, es decir, partes estructurales similares a rejillas (G1, G2 ). La difracción de la luz reflejada en una dirección angular amplia se produce en las posiciones respectivas de las múltiples rejillas, es decir, las partes estructurales en forma de rejilla (G1, G2 ). Aquí se produce la interferencia de la luz y se emite luz monocromática en la dirección del ángulo (θ) en el que la diferencia de camino óptico (dsinθ) de la luz reflejada procedente de cada rejilla satisface una condición predeterminada (múltiplo entero de la longitud de onda λ), en la que sólo se realza una longitud de onda λ específica.
De este modo, la rejilla de difracción dispersa (separa en forma de arco iris) diferentes longitudes de onda en distintos ángulos.
Además, utilizando una rendija sólo se puede extraer luz monocromática de una longitud de onda específica de la luz reflejada dispersada. Este es el principio de un monocromador de tipo rejilla. Girando la rejilla, se puede variar la longitud de onda de la luz que se desea extraer.
Cómo Elegir un Espectrómetro
Cuando se utiliza un espectrómetro integrado en un detector, es necesario seleccionar uno adecuado para la longitud de onda de la fuente de luz medida.
Por ejemplo, si la fuente de luz se encuentra en el rango del ultravioleta al infrarrojo cercano, un CCD está bien, pero si desea detectar fuentes de luz de longitud de onda más larga, necesita un detector de tipo InGaAs.
Como se menciona en el principio de medición, la longitud de onda que se puede detectar viene determinada por el patrón de difracción de un monocromador de tipo rejilla de difracción, por lo que es necesario seleccionar uno adecuado para la longitud de onda de interés.
Los monocromadores de tipo prisma tienen una resolución determinada por la naturaleza del prisma, pero tienen la ventaja de que no hay pérdida de intensidad luminosa.
Cómo Utilizar un Espectrómetro
El procedimiento general para utilizar un instrumento de análisis con espectrómetro es el siguiente.
- Decidir la sustancia que se va a medir y el intervalo de longitudes de onda que se va a medir.
- Seleccione el espectrómetro correspondiente a la longitud de onda que desea medir.
- Iluminar la sustancia y espectralizar la longitud de onda deseada.
- Introduzca la luz deseada en el sensor para detectar la señal.
- La señal obtenida se convierte en un espectro.
Si se trata de un objeto caro utilizado en un laboratorio, un espectrómetro llamado interferómetro de Michelson detecta automáticamente la longitud de onda de una luz específica. Las máquinas más pequeñas y portátiles también pueden detectar la longitud de onda de interés haciendo pasar la luz transmitida o reflejada por el material a través de un espectrómetro intercambiable.
Las longitudes de onda obtenidas entran en el sensor (detector) y se detectan como una señal para cada longitud de onda. Esta señal se convierte en una forma de onda denominada espectro, que puede analizarse a continuación para analizar el estado de la sustancia.
Ejemplos de Experimentos con Espectrómetros
Existen varios ejemplos de experimentos con espectrómetros, en función de la longitud de onda que se desee medir.
Por ejemplo, a continuación se presentan ejemplos de experimentos en cada rango de longitudes de onda, empezando por el lado de las longitudes de onda cortas.
- Los espectrómetros de rayos X identifican la composición de una superficie haciendo brillar rayos X sobre la superficie de un material y haciendo pasar la luz reflejada a través del espectrómetro.
- Los espectrómetros de UV/visible identifican la composición del objeto y las cantidades que contiene haciendo pasar luz a través del material.
- Los espectrómetros de infrarrojos revelan la estructura de una sustancia haciendo brillar la luz sobre los enlaces entre moléculas.
Así pues, la información obtenida depende de la gama de longitudes de onda del espectrómetro.
Espectros Obtenibles con Espectrómetros
El propósito de utilizar un espectroscopio es adquirir información de una sustancia desconocida o conocida y analizarla para identificar el estado de la sustancia. El espectro final obtenido del espectrómetro, denominado espectro, es el diagrama de ondas utilizado para este análisis.
Algunos ejemplos de espectros obtenidos con un espectrómetro son Definiendo primero la información que se desea conocer, es importante seleccionar el espectrómetro adecuado y adquirir el espectro.
- Los espectrómetros de rayos X identifican los átomos a partir de los picos de los rayos X característicos que se miden.
- Los espectrómetros de UV/visible detectan la diferencia de energía entre los electrones excitados cuando la luz se transmite a través de la muestra en forma de espectro.
- Los espectrómetros de infrarrojos detectan la energía vibratoria entre los enlaces que unen los átomos en forma de espectro.