Principios de análisis instrumental

182 Capítulo 7 Componentes de los instrumentos ópticos «< termistores, los cuales manifiestan un cambio relativamente grande en la resistencia en función de la temperatura. El elemento sensible sigue siendo pequeño y se ennegrece para absorber calor radiante. Los holómetros no se usan tanto como otros transductores infra– rrojos para la región infrarroj a media. No obstante, un holómetro de germanio, que funciona a 1.5 K, es casi el transductor ideal para radiación en el intervalo de 5 a 400 cm- 1 (2000 a 25 ¡.rm). Transductores piroeléctricos Este tipo de transductores se construyen a partir de obleas cris– talinas sencillas de materiales piroeléctricos, que son aislantes, o dieléctricos, con propiedades térmicas y eléctricas muy especia– les. El material piroeléctrico más importante usado en la fabri– cación de transductores infrarrojos es el sulfato de triglicina (NH 2 CH 2 COOHlJ · H 2 S0 4 por lo regular deuterado o con una fracción de las glicinas reemplazadas con alanina. Cuando se aplica un campo eléctrico a cualquier material dieléctrico, se lleva a cabo la polarización eléctrica, cuya magni– tud es una función de la constante dieléctrica del material. En casi todos los dieléctricos esta polarización inducida disminuye a cero con rapidez cuando se elimina el campo externo. En cambio, las sustancias piroeléctricas conservan una polarización intensa que depende de la temperatura después de que se elimina el campo. Por consiguiente, si se coloca el cristal piroeléctrico entre dos electrodos, uno de los cuales es transparente al infrarrojo, se tiene un capacitar que depende de la temperatura. Al cambiar su tem– peratura irradiándolo con radiación infrarroja, se modifica la dis– tribución de carga en el cristal, que crea una corriente susceptible de ser medida en un circuito eléctrico externo conectado a ambos lados del capacitar. La magnitud de esta corriente es proporcional al área superficial del cristal y a su razón de cambio de polariza– ción respecto a la temperatura. Los cristales piroeléctricos pierden su polarización residual cuando se calientan a una temperatura llamada punto Curie. En el sulfato de triglicina, el punto Curie es de 47 oc. Los transductores piroeléctricos manifiestan tiempos de res– puesta lo suficientemente rápidos para facilitar el rastreo de cam– bios en la señal en el dominio del tiempo desde un interferómetro. Por esta razón, la mayor parte de los espectrómetros de la trans– formada de Fourier usan este tipo de transductor. 7F PROCESADORES DE SENALES Y SISTEMAS DE LECTURA El procesador de señal es, por lo general, un dispositivo electró– nico que amplifica la señal eléctrica proveniente del transduc– tor. Además, puede cambiar la señal de cd en ca, o a la inversa, cambiar la fase de la seíi.al y filtrarla para eliminar componentes indeseables. El procesador de señales ejecuta también operaciones matemáticas con la seíi.al , como derivación, integración o conver– sión a un logaritmo. Se puede encontrar dispositivos que despliegan la informa– ción en los instrumentos modernos; los medidores digitales, LCD, y las pantallas de computadora son comunes en la actualidad. Los instrumentos más antiguos tienen grabadoras analógicas o tubos de rayos catódicos como dispositivos de salida. 7F.1 Conteo de fotones La salida de un tubo fotomultiplicador está constituida por un pulso de electrones para cada fotón que llega a la superficie del detector. Con frecuencia, esta señal analógica se filtra para eli– minar las fluctuaciones indeseables ocasionadas por la aparición aleatoria de fotones en el fotocátodo y se mide como un voltaje o como corriente directa. No obstante, si la intensidad de la radia– ción es demasiado baja para proporcionar una relación señal– ruido satisfactoria, es posible y a menudo ventajoso procesar la señal a un tren de pulsos digitales que pueden ser contados como se estudió en la sección 4C. En este caso, la potencia radiante es proporcional a la cantidad de pulsos por unidad de tiempo y no a una corriente promedio o voltaje. Este tipo de medición se deno– mina conteo de fotones. Las técnicas de conteo se han usado durante muchos años para medir la potencia radiante de los rayos X y de la radiación producida por la desintegración de especies radiactivas, técnicas que se tratarán con detalle en los capítulos 12 y 32. El conteo de fotones se usa también para la radiación ultravioleta y visible, pero en esta aplicación la que se cuenta es la salida de un tubo fotomul– tiplicador. En la sección anterior se seíi.aló que un solo fotón que choca contra el cátodo de un fotomultiplicador causa en última instancia una cascada de 10 6 a 10 7 electrones, los cuales producen un pulso de carga que es susceptible de ser amplificado y contado. Por lo general, el equipo para el conteo de fotones es similar al que se ilustra en la figura 4.2, en la que un comparador rechaza pulsos a menos que excedan de algún voltaje mínimo predeter– minado. Los comparadores son útiles para esta tarea porque la corriente residual y el ruido del instrumento son con frecuencia significativamente menores que el pulso de la seíi.al y, por tanto, no se cuentan. El conteo de fotones tiene muchas ventajas en comparación con la señal analógica, incluso en relación con la señal-ruido mejorada, sensibilidad a bajos niveles de radiación, mayor preci– sión para un tiempo de medición dado y menor sensibilidad a las fluctuaciones de voltaje y temperatura del tubo fotomultiplicador. Sin embargo, el equipo que se requiere es más complejo y caro. Por ello, la técnica no se utiliza ampliamente en las mediciones rutinarias de absorción molecular en las regiones ultravioleta y visible en las que no se requiere de alta sensibilidad. No obstante, se ha convertido en el método de detección preferido en espec– trometría de fluorescencia, quimioluminiscencia y Raman cuyos niveles de potencia radiante son bajos. 7G FIBRAS ÓPTICAS A finales de los años sesenta empezaron a aparecer en el mercado instrumentos analíticos con fibra óptica para transmitir radia– ción e imágenes desde un componente del instrumento a otro. 28 Las fibras ópticas han dado una nueva dimensión de utilidad al diseño de instrumentos ópticos. " Para una discusión sobre la óptica en fibras, refiérase a j. Hayes, FOA Guide to Fiber Optics, Fallbrook, CA: Fiber Optics Association, 2009; ). Hayes, Fiber Optics Technician's Manual, Clifton Park, NY: Delmar Learning, 2006.