Comprensión del espectrómetro de emisión óptica OES

¿Qué es un espectrómetro?

Desde el principio, es importante entender el término "espectrómetro". Un espectrómetro es un dispositivo que separa y analiza los componentes espectrales individuales de un fenómeno físico para producir resultados analíticos de interés. El espectro, aunque la mayoría lo asocia de forma más natural con la luz, también podría ser de masa, magnético, de electrones, etc., lo que da lugar a una gran variedad de tipos de espectrometría, como la espectrometría óptica, la espectrometría de fotoelectrones, la espectrometría de masas, etc.

¿Qué es un espectrómetro de emisión óptica (OES)? o ¿Qué es un espectrómetro de emisión atómica (AES)?

La espectrometría óptica se refiere al análisis de un espectro de luz separado por longitudes de onda. Puede ser de dos tipos: absorción o emisión. Un espectrómetro de emisión/óptico atómico (AES/OES) es aquel que analiza un espectro óptico (luz) emitido por una muestra excitada. La excitación podría realizarse por varios medios, como la aplicación de una chispa, plasma, llama, etc. Dicho esto, el término "OES" ahora es ubicuamente usado para referirse a la técnica OES de arco-chispa.

¿En qué principios funciona el espectrómetro de emisión óptica de arco/chispa?

Arc/Spark OES funciona según dos principios muy básicos de la física:

• Los electrones de los átomos absorben energía (se “excitan”) y pasan a estados de mayor energía (también llamados órbitas) cuando se les aplica energía. Cuando se elimina esta fuente de energía, los electrones caen al estado fundamental y liberan la energía absorbida en forma de fotones.

• No hay dos átomos de elementos diferentes que puedan emitir fotones en la misma longitud de onda. En consecuencia, cada longitud de onda es única para un solo elemento.

Esto significa que una vez que conocemos la longitud de onda del fotón emitido, ¡sabemos qué elemento lo emite!

¿Cómo funciona un OES de arco/chispa?

En un OES de arco/chispa, los principios descritos anteriormente se aprovechan para analizar muestras metálicas (en general, pero hablaremos de esto más adelante) para evaluar exactamente qué elementos están presentes en ellas y en qué proporción. El resultado de la OES es una evaluación detallada de la composición elemental de la muestra en porcentajes de peso.

En primer lugar, es necesario "excitar por chispa" la muestra. Por lo tanto, primero se prepara la muestra, es decir, una cara de la muestra se hace absolutamente uniforme, limpia, plana y lo más libre posible de defectos superficiales. Para ello se deben utilizar métodos adecuados de preparación de muestras. Luego, la muestra preparada se coloca en el soporte de muestra como se muestra a continuación. El soporte de muestra tiene un agujero que la muestra debe cubrir. Debajo de esto, hay un electrodo a una distancia fija de la superficie expuesta de la muestra. Todo este recinto de chispa se llena con argón cuando se va a realizar el análisis. Luego, se aplica una corriente alta a la muestra.

Los niveles extremadamente altos de corriente continua crean un plasma en la atmósfera de la cámara de chispas purgada con argón y, por lo tanto, se crea una rápida serie de chispas de alta energía entre el electrodo y la muestra. La aplicación de estas chispas provoca la vaporización de una parte de la muestra. Los átomos vaporizados en el plasma absorben energía y sus electrones pasan a estados de energía más altos con cada chispa. Con cada eliminación, los electrones regresan al estado fundamental y emiten fotones. Dada la gran cantidad de elementos que emiten fotones simultáneamente, se genera una emisión compuesta. Esta luz compuesta se hace caer sobre una rejilla (Grating) de difracción.

La rejilla (Grating) de difracción separa cada longitud de onda individual y crea un espectro dentro de lo que se llama la "cámara óptica".

¡Ahora se puede analizar claramente el espectro! La base del análisis es, por supuesto, la simplicidad misma. Conocemos las longitudes de onda que caracterizan a cada elemento. Además, cuanto mayor sea la intensidad de la emisión en la longitud de onda de un elemento, mayor será su concentración. Si tuviéramos una base de datos que contuviera los niveles de concentración a los que corresponden los diferentes valores de intensidad para cada longitud de onda que nos interesa, podríamos simplemente buscar la intensidad de emisión en esta base de datos y decir con convicción cuál es la concentración de los elementos individuales.

Cómo funcionaron los primeros espectrómetros

Los primeros instrumentos (muy tempranos) debían funcionar sin fotoemisores. ¡Por lo tanto, los primeros investigadores tuvieron que confiar en métodos analógicos más mundanos! Simplemente colocaron una placa fotográfica sobre la que caería el espectro difractado. Luego, esta placa fue desarrollada y estudiada para llegar a los resultados requeridos.

El primer paso hacia la automatización: la introducción de los detectores PMT

Sin embargo, en la década de 1930 surgió el tubo fotomultiplicador (PMT), un tubo de vacío que emite electrones cuando la luz incide sobre él. Por lo tanto, los espectrómetros pasaron rápidamente a utilizar PMT. Por lo tanto, se colocó un PMT dentro de la cámara óptica en una posición precisa para cada longitud de onda que el usuario deseaba analizar. Junto a esto, también había una computadora conectada al espectrómetro. La computadora almacenó la base de datos con la que se compararon los resultados de los PMT para llegar a la composición elemental requerida. Esto automatizó el proceso y no sólo lo hizo mucho más rápido y conveniente, sino también mucho más preciso y libre de errores.

Esto funcionó muy bien durante décadas, pero, como siempre, la tecnología avanzó. Los PMT claramente tenían muchos inconvenientes:

Faltaba flexibilidad: una vez comprado, ¡eso es todo!

• No hay posibilidad alguna de modificar una vez hecho

• ¡Incluso el aumento de un solo elemento significó un nuevo OES!

El costo y el tedio seguían siendo muy altos.

• Los detectores, tarjetas, etc. eran extremadamente caros.

• Se necesita perfilado regular, bombas de vacío, etc.

La revolución: la muerte de los PMT y el surgimiento del CCD y luego del CMOS:

La introducción de los detectores CCD (dispositivo de carga acoplada) y ahora CMOS (semiconductor de óxido metálico complementario) resolvió literalmente todos los problemas que planteaban los dispositivos PMT y también ofreció varias ventajas más a los fabricantes y usuarios de espectrómetros. Sólo algunos de estos son:

Flexibilidad inigualable

1. • Se captura cada longitud de onda, por lo que se puede analizar

2. • No hay limitación de espacio ya que los CCD son pequeños

Los instrumentos se volvieron más pequeños y menos costosos.

• La rejilla de alta resolución y los CCD dan como resultado distancias focales más cortas

• Menos detectores significan menos tarjetas y menor costo

¡Bajo tedio y bajos costes de funcionamiento!

• No es necesario crear perfiles, etc., ya que todo esto está automatizado

• Sin vacío y electrónica eficiente = menores costos de funcionamiento

Por lo tanto, los espectrómetros evolucionaron rápidamente hacia el uso de estos dispositivos y hoy en día, los OES modernos se componen exclusivamente de óptica con estos dispositivos.

Entonces, ¿cuáles son los tipos de OES disponibles hoy en día?

Si bien el diseño moderno de OES se centra exclusivamente en detectores CMOS/CCD, quedan algunos modelos de instrumentos heredados en el mercado que todavía cuentan con detectores PMT. Así como cuando comenzó el cambio a las DSLR, no se retiraron inmediatamente todas las SLR analógicas, aunque la caída en la participación de mercado de PMT OES ha sido precipitada, todavía hay un puñado de modelos con esta tecnología que permanecen en el mercado. . Por lo tanto, en su mayor parte, los OES actuales se pueden clasificar en tres tipos, como se muestra a continuación. Dicho todo esto, los PMT OES están ahora prácticamente obsoletos y forman una fracción muy pequeña del mercado general.