Principios de análisis instrumental

398 Capítulo 16 Introducción a la espectrometría infrarroja {(( "' "' g 1000 :.0 ¿:; "' "' "O ~ ;;J 100 10 o 4 5 6 7 8 9 10 11 A, J.lln FIGURA 16.16 Distribución espectral de la energía procedente de un emisor de Nernst cuando funciona a aproximadamente 2200 K. Globar Un Globar es una varilla de cerámica, generalmente de carburo de silicio o un material compuesto, calentado eléctricamente a más de 1000 K. Los instrumentos dispersivos antiguos usaban Globa– res que se calentaban a temperaturas tan altas como 1500 K para proporcionar suficiente intensidad. La sensibilidad de los instru– mentos IR de transformada de Fourier modernos ha permitido utilizar temperaturas de fuente más bajas (de 1000 a 1300 K), lo que se traduce en una mayor vida útil de la fuente. Las fuentes de Globar para instrumentos IR de transformada de Fourier se deben controlar con temperatura para obtener una gran estabilidad. Algunas fuentes simples en instrumentos más antiguos usan un ventilador para proporcionar refrigeración por aire, pero el enfriamiento por agua es más efectivo. El Globar tiene la ventaj a de un coeficiente de temperatura positivo de resis– tencia que permite controlar la temperatura electrónicamente. Las fuentes más estables, por tanto, utilizan el control electró– nico de temperatura, que elimina las molestias y las fluctuaciones de temperatura del agua en circulación . También se dice que el control electrónico de la temperatura aumenta la vida útil de la fuente. Las energías espectrales de Globar y del emisor de Nernst son similares, excepto en la región por debajo de 5 JJ-m, donde el Globar es significativamente más intenso. Las energías espectra– les de Globar y del emisor de Nernst son comparables excepto en la región por debajo de 5 JJ-m, donde el Globar proporciona una salida significativamente mayor. Fuente de filamento incandescente Se trata de una fuente de intensidad algo menor, pero de vida más larga que la fuente Globar o el emisor de Nernst, consiste de una espiral muy apretada de alambre de nicromo que se calienta por el paso de una corriente eléctrica a casi 1100 K. Un calentador de fi lamento de radio sellado en un cilindro de cerámica presenta propiedades semejantes a estas fuentes, pero es más caro. Las fuentes con filamento de nicromo poseen menor intensidad que muchas fuentes IR. No obstante, la fuente de filamento incandes– cente no necesita enfriarse y casi no requiere mantenimiento. Por esta razón, la fuente de filamento de nicromo se utiliza casi siem– pre cuando la confiabilidad es importante, como en los analizado– res de proceso. Arco de mercurio Para la región espectral del infrarrojo lejano (A > 50 JJ-m), nin– guna de las fuentes térmicas descritas hasta aquí proporciona suficiente energía radiante para una detección apropiada. En este caso se utiliza un arco de mercurio de alta presión que consta de un tubo revestido con cuarzo que contiene vapor de mercurio a una presión mayor que una atmósfera. El paso de la electricidad a través del vapor origina una fuente de plasma interna que pro– porciona una radiación continua en la región del infrarrojo lejano. Lámpara de filamento de tungsteno Una lámpara de filamento de tungsteno común es una fuente ade– cuada para la región del infrarrojo cercano de 4000 a 12 800 cm - l (2.5 a 0.78 JJ-m). Fuente láser de dióxido de carbono Para el control de la concentración de ciertos contaminantes atmosféricos y para determinar especies absorbentes en soluciones acuosas se utiliza como fuente infrarroj a un láser sintonizable de dióxido de carbono. 13 Un láser de dióxido de carbono produce una banda de radiación en el intervalo de 900 a 1100 cm - l (de 11 a 9 JJ-m), que consta de unas 100 líneas discretas y muy juntas. Como se explica en la sección 7B.3, cualquiera de esas líneas se puede ele– gir al sintonizar el láser. Aunque el intervalo de longitudes de onda disponible es limitado, la región de 900 a 1100 cm - 1 es particular– mente rica en bandas de absorción producidas por los modos de tensión interactivos del C0 2 • Por tanto, esta fuente es útil para la determinación cuantitativa de algunas especies importantes como el amoniaco, butadieno, benceno, etanol, dióxido de nitrógeno y tricloroetileno. Una propiedad importante de la fuente láser es la potencia radiante disponible en cada línea, la cual es varios órde– nes de magnitud mayor que la de las fuentes de cuerpo negro. Los rayos láser de dióxido de carbono se utilizan ampliamente en aplicaciones de detección remota como el LIDAR (acrónimo de light detection and ranging) cuyo principio de funcionamiento es similar al del radar. El sistema LIDAR transmite radiación hasta un blanco que interactúa con ella y la modifica. Una parte de la radiación es reflejada de nuevo al instrumento LIDAR, donde se analiza y se obtiene información acerca del blanco. Por medio del LIDAR se puede determinar distancia, velocidad, giro, composi– ción química y concentración de blancos remotos. Fuentes de láser IR semiconductores Los láseres de semiconductores sintoni zables también se han usado como fuentes (consulte la sección 7B.3 para obtener una descripción de estos dispositivos) en las regiones IR cercanas e intermedias. Como ejemplo, el experimento de análisis de mues– tras en Marte (SAM, por sus siglas en inglés) en el explorador de Marte Curiosity's Science Laboratory utiliza un espectrómetro láser de diodo sintonizable en la región de 2.78 JJ-m para detectar carbono, hidrógeno y oxígeno en el entorno marciano y determi– nar sus proporciones isotópicas. Un láser sintonizable en cascada "Véase A. A. Demidov, en lntroduction to Laser Spectroscopy, 2a. ed., D. L. Andrews Y A. A. Demidov, eds., New York: Kluwer Academic/Pienum Press, 2002; z. Zelinger, M. Strizik, P. Kubat y S. Civis, Anal. Chim. Acta, 2000, 422, p. 179; DOI: 10.1016/S0003-2670(00)0 1069-2; P. L. Meyer, M. W. Sigrist, Rev. Sci. Instrum ., 1990,61, p. 1779, DO!: 10.1063/1.1 141097.