Comprender el espectrómetro de emisión óptica OES/AES: aplicaciones, técnicas y cómo funciona un OES

¿Qué es un espectrómetro?

Para empezar, 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 natural con la luz, también puede ser de masas, magnético, de electrones, etc., lo que da lugar a una gran variedad de tipos de espectrometría, como por ejemplo, la espectrometría óptica, espectrometría de fotoelectrones, 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 luminoso separado por longitudes de onda. Puede ser de dos tipos: absorción o emisión. Un Espectrómetro de emisión/óptico atómico (AES / OES) es el que analiza un espectro óptico (de luz) emitido por una muestra excitada. La excitación puede realizarse por varios medios, como la aplicación de una chispa, plasma, llama, etc. Dicho esto, el término «OES» es ahora casi omnipresente para referirse a la técnica OES de arco y chispa.

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

Arc / Spark OES funciona según dos principios físicos muy básicos:

• 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 de masa y liberan la energía absorbida en forma de fotones.
• No hay dos átomos de elementos diferentes que puedan emitir fotones con la misma longitud de onda. Por consiguiente, cada longitud de onda es exclusiva de un solo elemento.

Esto significa que una vez que conocemos la longitud de onda del fotón emitido, ¡sabremos 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) y evaluar exactamente qué elementos están presentes en ellas y en qué proporción. El resultado del OES es una evaluación detallada de la composición elemental de la muestra en porcentajes de peso.

En primer lugar, es necesario «encender» la muestra. Por lo tanto, primero se prepara la muestra, es decir, una cara de la muestra se hace absolutamente uniforme, limpia, plana y tan libre de defectos superficiales como sea posible. Para ello deben utilizarse métodos adecuados de preparación de muestras. A continuación, la muestra preparada se coloca en el soporte de muestras, como se muestra a continuación. El soporte de la muestra tiene un orificio que debe cubrir la muestra. Debajo, hay un electrodo a una distancia fija de la superficie expuesta de la muestra. Todo este espacio cerrado se llena con argón cuando se va a realizar el análisis. A continuación, se aplica una corriente elevada a la muestra.

Los niveles extremadamente altos de corriente directa (CD) crean un plasma en la atmósfera purgada de argón de la cámara de chispas y, por lo tanto, se crea una serie rápida 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 del plasma absorben energía y sus electrones pasan a estados energéticos superiores con cada chispa. Con cada extracción, los electrones vuelven al estado de masa y emiten fotones. Dado el gran número de elementos que emiten fotones simultáneamente, se genera una emisión compuesta. Esta luz compuesta se hace incidir sobre una rejilla de difracción.

La rejilla de difracción separa cada longitud de onda individual y crea un espectro dentro de lo que se denomina «cámara óptica».

¡Ahora se puede analizar claramente el espectro! La base del análisis es, por supuesto, la propia simplicidad. 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 consultar la intensidad de emisión en esta base de datos y determinar con certeza cuál es la concentración de cada elemento.

Funcionamiento de los primeros espectrómetros

Los primeros instrumentos (muy primitivos) tenían que funcionar sin fotoemisores. ¡Por lo tanto, los primeros investigadores tuvieron que recurrir a métodos analógicos más rutinarios! Simplemente colocaron una placa fotográfica sobre la que caería el espectro difractado. A continuación, se desarrolló y estudió esta placa para llegar a los resultados requeridos.

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

Sin embargo, en la década de 1930 apareció el tubo fotomultiplicador (PMT), un tubo de vacío que emite electrones cuando la luz incide sobre él. Por ello, los espectrómetros pasaron rápidamente a utilizar PMT. Así pues, se colocó un PMT dentro de la cámara óptica en la posición precisa para cada longitud de onda que el usuario deseaba analizar. Además, había un ordenador conectado al espectrómetro. El ordenador almacenaba la base de datos con la que se comparaban los resultados de las PMT para obtener la composición elemental necesaria. Esto automatizó el proceso y no sólo lo hizo mucho más rápido y cómodo, sino también mucho más preciso y sin errores.

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

No había flexibilidad, y una vez comprado, ¡había que conformarse!

• No se podía modificar en absoluto una vez hecho
• ¡Incluso el aumento de un solo elemento implicaba la necesidad de un nuevo OES!

Los costos y el trabajo engorroso seguían siendo muy elevados.

• Los detectores, tarjetas, etc. eran muy caros
• Existía la necesidad de perfilado regular, bombas de vacío, etc.

La revolución: la muerte de las PMT y el auge del CCD y luego del CMOS:

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

Flexibilidad inigualable

• Captura de todas las longitudes de onda, lo que permite analizarlas.
• Sin limitación de espacio, ya que los CCD son pequeños

Los instrumentos se hicieron más pequeños y menos caros

• La rejilla de alta resolución y los CCD reducen la distancia focal
• Menos detectores significan menos tarjetas y menor coste

¡Menos esfuerzo y menos gastos de funcionamiento!

• No es necesario elaborar perfiles, etc, pues todo esto está automatizado
• Sin vacío y electrónica eficiente = menores costes de funcionamiento

Por ello, los espectrómetros se orientaron rápidamente hacia el uso de estos dispositivos y, en la actualidad, los OES modernos se componen exclusivamente de ópticas con estos dispositivos.

¿Cuáles son los tipos de OES disponibles hoy en día?

Aunque el diseño de los OES modernos se centra exclusivamente en detectores CMOS / CCD, todavía existen en el mercado algunos modelos de instrumentos heredados que siguen incorporando detectores PMT. Del mismo modo que cuando comenzó el cambio a los DSLR no se retiraron inmediatamente todos los SLR analógicos, aunque la caída de la cuota de mercado de los PMT OES ha sido precipitada, todavía quedan en el mercado un puñado de modelos con esta tecnología. En su mayor parte, los OES actuales pueden clasificarse en tres tipos, como se indica a continuación. Dicho esto, los OES de PMT están prácticamente obsoletas y constituyen una fracción muy pequeña del mercado global.

¿Cómo son los resultados?

Los resultados de un OES son completamente cuantitativos y aparecen como porcentajes en peso.

Un resultado analítico típico sería el siguiente: