Com funciona un espectrofotòmetre?

Com ja vam explicar en l’article del juny del 2017, el passat curs vam guanyar el premi al millor video del VI Concurs de Cristal·lització a l’Escola de la Facultat de Ciències de la Terra de la Universitat de Barcelona, dins del projecte de 3r d’ESO Estrumetacles.

Amb aquest premi l’Institut Moisès Broggi, a través del Departament de Ciències Experimentals ha adquirit un espectrofotòmetre  portàtil per l’alumnat de física, química i biologia, i pels estudiants que vulguin fer un treball de recerca on el necessitin.

Intentarem explicar-vos què és aquest aparell i per què pot ser molt útil.

Un espectrofotòmetre és un aparell de mesura usat en la física òptica. Serveix per mesurar (en funció de la longitud d’ona, λ) la relació entre valors d’una mateixa magnitud fotomètrica relatius a dos feixos de radiacions.   Mirem d’anar a pams:

• La longitud d’ona, λ   és la magnitud física que indica la distància entre el principi i el final d’una ona completa (cicle). És la separació espacial existent entre dos punts amb l’estat de moviment idèntic.

• A física, la radiació és l’emissió d’energia a l’espai en forma d’ones (electromagnètiques –com la llum – o gravitatòries) o bé en forma de partícules altament energètiques (neutrins, protons, ions, etc.).

Els espectrofotòmetres s’utilitzen als laboratoris de química per a la quantificació de substàncies i microorganismes. Aquest instrument té la capacitat de projectar un feix de llum monocromàtica a través d’una mostra i mesurar la quantitat de llum que és absorbida per aquesta mostra. Això permet fer dues funcions bàsiques:

• Donar informació sobre la naturalesa de la substància en la mostra
• Indicar indirectament quina quantitat de la substància que ens interessa és present en la mostra.

Com funciona un espectrofotòmetre? Aquest és l’esquema bàsic d’un espectrofotòmetre per dins.

S’hi veu una font emissora de radiació electromagnètica (light source). Es fa pasar aquest raig de llum per un sistema que fa que hi hagi un únic tipus de llum (com un filtre, una lent; monochromator) i que fa que incideixi perpendicularment a la mostra dins la cubeta (sample, cuvette). Just davant trobem el dispositiu que permet triar la longitud d’ona que ha d’incidir sobre la mostra. El dispositiu es diu reixeta de difracció (adjustable aperture). A la sortida un sistema  electrònic, el lector, (photoresistor, amplifier) rep i analitza la quantitat de llum que li arriba.

De fet, al lector, té presents dues mesures de la intensitat de la llum:

1) La primera mesura és la intensitat de radiació que arribaria al lector si no hi hagués la mostra i és I₀ .

2) La segona mesura es fa amb la intensitat de la llum que arriba al lector, després de passar per la mostra I.

Si treballem amb mostres que absorbeixen radiació, lògicament I <I₀ (surt menys intensitat de llum que la que ha entrat).

La relació entre I i I₀ s’expresa de dues maneres. La relació directa és la  transmitància (T). El logaritme negatiu de la transmitància és l’absorbància (A). Actualment, s’utilitza molt més l’absorbància que la transmitància.

Les expressions matemàtiques són:

La transmitància (T);  T=  I / I₀   i per tant, l’absorbància (A) és A = -log T

La llei de Lambert-Beer estableix la relació entre l’absorbància i les propietats d’allò que estem analitzan, la seva concentració i amb la longitud de la trajectòria del feix de llum de la mostra. L’expressió matemàtica és:

A = C . ε. L;  on

A = Absorbància de la mostra; C = Concentració del cromòfor;

L = Longitud del pas òptic que conté la mostra; i ε = Absortivitat molar o coeficient d’extinció molar i depèn de la substància, de λ i de les condicions (pH, T…).

Les característiques de l’espectrofotòmetre Vernier spectral analysis 4 són que permet…

• El seguiment de les instruccions a la pantalla per a la llei de Beer o per a la recopilació de dades cinètiques simplificades.
• La recollida de dades d’absorbància d’espectre complet o de transmissió en menys d’un segon.
• L’anàlisi de dades amb eines d’anàlisi integrades, incloses la interpolació de dades i els accessoris de corbes.
• Poder determinar l’ordre de la reacció cinètica amb la funció de columnes calculades.
• Comprendre la transmissió del color mitjançant la tira de colors que es mostra en els gràfics d’espectre complet.
• La comparativa de l’espectre complet de la vostra mostra simultàniament amb la llei de Beer o la recopilació de dades cinètiques.

Aquest aparell d’anàlisi espectral facilita la incorporació de l’espectroscòpia als laboratoris de biologia i química. Amb aquesta l’aplicació, els estudiants poden recollir un espectre complet i explorar temes com la llei de Beer, cinètica enzimàtica i pigments vegetals.

La interfície és prou senzilla com perquè els estudiants puguin fer la recollida de dades i també inclou funcions d’anàlisi, com ara ajust de corbes i interpolació de dades. Entre d’altres hi ha:

• L’absorbància respecte la ongitut d’ona completa de l’espectre.
• L’absorbància respecte la concentració, per a la llei de  Beer.
• L’absorbància respecte el temps, per a la cinètica química.