Principios de análisis instrumental

8 Capítulo 1 Introducción <« porcional a la cantidad de ciclos de la señal, o bien, en este caso, cinco veces en la longitud de un solo intervalo de tiempo, como se indica en la figura 1.6. Observe que los intervalos se numeran en forma consecutiva y empiezan con cero. En un esquema de codi– ficación binario, como el que se muestra para la señal en la figura l.6b, se asigna un valor numérico para cada intervalo sucesivo de tiempo. Por ejemplo, el intervalo número cero representa 2° = 1, el intervalo número uno representa 2 1 = 2, el segundo intervalo es 2 2 = 4, y así sucesivamente como se muestra en la figura 1.6. Durante cada intervalo solo se necesita decidir si la señal es HI o LO. Si la señal es HI durante cualquier intervalo de tiempo dado, entonces el valor que le corresponde a dicho intervalo se suma al total. Todos los intervalos que son LO contribuyen con cero al total. En la figura 1.6b, la señal es HI solo en el intervalo O y en el intervalo 2, de modo que el valor total representado es (1 X 2°) + (O X 2 1 ) + (1 X 2 2 ) = 5. Entonces, en el espacio de solo tres intervalos se ha representado el número n = 5. En el ejemplo del conteo digital de la figura l.6a, se requirieron cinco intervalos para representar el mismo número. En este ejemplo limitado, los datos en código binario son casi el doble de eficaces que los datos del conteo de series. Un ejemplo más espectacular se podría ver al contar n = 10 oscilaciones, de manera similar a la de la señal de la figura l.6a. En los mismos 10 intervalos, 10 bits HI-LO de información en el esquema de codificación de series binarias permiten representar los nÚmeros binarios desde 0 hasta 2 10 - 1 = 1024 números, es decir, de 0000000000 a 1111111111. La mejora en eficacia es 1024/1O, es decir, alrededor de 100 veces. En otras palabras, el esquema de conteo en serie requiere 1024 intervalos para representar el número 1024, pero el esquema de codificación binaria necesita solo 10 intervalos. Como resultado de la efica– cia de los esquemas de codificación binaria, la mayor parte de la información digital se codifica, transfiere, procesa y decodifica en forma binaria. Los datos representados mediante codificación binaria sobre una sola línea de transmisión se llaman datos codificados en sis – tema binario en serie o solo datos en serie. Un ejemplo común de transmisión de datos en serie es el módem de la computadora, el cual es un aparato para transmitir información entre computado– ras mediante la línea telefónica a través de un solo conductor (y una conexión común). Un método más eficaz para codificar datos en el dominio digital se ve en la señal de la figura 1.6c. En este caso se usan tres focos para representar los tres dígitos binarios: 2° = 1, 2 1 = 2 y 2 2 = 4. No obstante, es posible utilizar interruptores, alambres, diodos emisores de luz o cualquier otro dispositivo electrónico para codificar información. En este esquema, ON = 1 y OFF = O, de modo que el número se codifica como se muestra en la figura 1.6 con el primero y el tercer focos en ON y el foco intermedio en OFF, lo cual representa 4 + O + 1 = 5. Este esquema es muy eficaz porque toda la información deseada está presente en forma simultánea, igual que aparecen todos los dígitos de la carátula del voltímetro digital de la figura 1.3. La información presentada en esta forma se denomina datos digitales en paralelo. La infor– mación se transmite dentro de los instrumentos analíticos y las computadoras mediante el envío de datos en paralelo. Como los datos viajan cortas distancias dentro de tales dispositivos, es barato y eficaz usar la transferencia de información en paralelo. La economía de las distancias cortas contrasta con la situación en la que los datos tienen que ser transportados a largas distancias de instrumento a instrumento o de computadora a computadora. En estos casos, la comunicación se realiza en serie con módems u otros esquemas de transmisión de datos en serie más rápidos y más complejos. Estas ideas se estudian con más detalle en el capítulo 4. 1C.4 Detectores, transductores y sensores Los términos detectores, transductores y sensores se usan casi siem– pre como sinónimos, pero de hecho tienen diferentes significa– dos. El más general de los tres términos, el de detector, se refiere a un dispositivo mecánico, eléctrico o químico que identifica, registra o indica un cambio en una de las variables de su entorno, como presión, temperatura, carga eléctrica, radiación electromag– nética, radiación nuclear, partículas o moléculas. El uso de este término se ha vuelto tan generalizado que comúnmente se utiliza el término detectores para referirse a instrumentos completos. En el contexto del análisis instrumental se usa el término detector en el sentido general con que justamente se le ha definido, y se usará sistema de detección para referirse al conjunto completo de ins– trumentos que indi ca o registra cantidades físicas o químicas. Un ejemplo es el detector UV (de luz ultravioleta) que se usa a menudo para indicar o registrar la presencia de analitos extraídos en la cromatografía de líquidos. El término transductor se refiere de manera específica a aque– llos dispositivos que transforman la información en los dominios no eléctricos en información en los dominios eléctricos y vice– versa. Entre los ejemplos están los fotodiodos, fotomultiplicado– res y otros fotodetectores electrónicos que producen corrientes o voltajes proporcionales al flujo radiante de la radiación electro– magnética que incide en sus superficies. Otros ejemplos son los termistores, los medidores de deformación y los transductores del efecto Hall (fuerza del campo magnético). Como ya se sugirió, la relación matemática entre la salida eléctrica y la entrada de ener– gía radiante, temperatura, fuerza o fuerza de campo magnético se llama función de transferencia del transductor. El uso del término sensor también se ha generalizado, pero en este texto se le reserva para la clase de dispositivos analíticos que tienen la capacidad de monitorear especies químicas específicas en forma continua y reversible. Hay numerosos ejemplos de sensores en todo el texto, sin olvidar el electrodo de vidrio y otros electro– dos selectivos de iones, los cuales se estudian en el capítulo 23; el electrodo de oxígeno de Clark, que se estudia en el capítulo 25, y los sensores de fibra óptica (optrodos), que se detallan en el capítulo 7. Los sensores constan de un transductor acoplado a una fase de reconocimiento químicamente selectiva, como se ilustra en la figura 1.7. Por ejemplo, los optrodos están constituidos por un fototransductor acoplado con una fibra óptica, cuyo extremo opuesto al transductor está cubierto con una sustancia que res– ponde de manera específica a una característica física o química de un analito. Un sensor que es muy interesante e instructivo está hecho de una microbalanza de cristal de cuarzo (MCQ). Este instrumento se basa en las características piezoeléctricas del cuarzo. Cuando el cuarzo se deforma de manera mecánica, se produce una diferen– cia de potencial en su superficie.