Turbidimetría y Nefelometría

D- Dispersión. Nociones básicas de Turbidimetría y Nefelometría.

Aplicaciones.

UNIDAD IV- Métodos ópticos

Turbidímetro portátilDra. Adriana Sales.Prof. Qca. Analítica II

La Turbidimetría y la Nefelometría son

técnicas analíticas basadas en la

dispersión de la luz por partículas que están en

suspensión en el seno de una solución.

Turbiedad : La turbiedad es una propiedad óptica característica de las dispersiones.

Esta propiedad óptica hace que la luz se disperse en

lugar de propagarse en línea recta a través de la

muestra.

Dicha dispersión la ocasiona la interacción de la luz

con las partículas suspendidas en la muestra (arcilla,

materia orgánica, partículas inorgánicas, algas,

organismos microscópicos ) que  impiden el paso de la

luz a través del medio.

Turbidimetría: fundamento

Se mide la disminución de la potencia de la radiación emitida por una fuente al atravesar la solución de la muestra debido a la dispersión sufrida.

Adecuada para concentraciones relativamente altas de partículas en

suspensión

Nefelometría: fundamento

Se mide la radiación dispersada en una dirección que forma, en general, un ángulo recto (90o) con la radiación incidente.

Adecuada para concentraciones bajas de partículas en suspensión

Fundamento teórico• Conceptos de “dispersión” y “reflexión”

Reflexión: se produce cuando incide una radiación en la interfase entre dos materiales de índice de refracción distinto.

Dispersión: cuando la luz interacciona con partículas de pequeño tamaño induce oscilaciones en las cargas eléctricas de la materia que emiten ondas secundarias en todas las direcciones.

DISPERSIÓN: se produce cuando el tamaño de la

partícula es del mismo orden de magnitud o menor, a la

longitud de onda del haz de luz incidente y además están

en un medio con índice de refracción distinto al suyo

propio.

REFLEXIÓN: se produce cuando las partículas son de mayor

tamaño con respecto a la longitud de onda incidente (aprox. 2λ).

Fundamento teórico

Partículas que producen “dispersión” en diversas regiones del espectro

λ (nm) Zona espectral Tamaño de la partícula

(nm)

Estado de agregación

10.000 IR 15.000 Grandes partículas coloidales

500 Visible 750 Partículas coloidales, macro-moléculas

1 RX 2 Moléculas pequeñas, átomos

Entre todo el intervalo de tamaños de partículas que producen dispersión vemos

dos casos:

Dispersión de Rayleigh (tamaño no superior al 5-10% de la λ incidente).

Dispersión por partículas grandes (tamaño superior al 10% de la λ ).

Dispersión de partículas grandes (tamaño superior al 10% de la λ de la luz, pero no mayor a 3/2 λ).

Dispersión de Rayleigh o dispersión de partículas pequeñas (tamaño menor a 1/10 de la λ de la luz)

Dispersión simétrica de las intensidades de la luz alrededor de la partículasDistribución uniforme en todas las direcciones.

Distribución no homogénea por interferencias entre los rayos secundarios.

Fenómeno de Dispersión

En la Dispersión parte de la radiación es emitida por el analito sin cambios en su

energía (o λ).

Haz de luz incidente

Energía emitida

Azul del cieloDispersión de λ cortas de

la luz visible por los gases del aire

Rojo del atardecer Dispersión de λ largas de la luz visible por partículas de humo, niebla.

El tamaño de la partícula es más importante en Nefelometría que en Turbidimetría.

Nefelometría: es deseable que las partículas sean pequeñas para que

se produzca dispersión simétrica lo que optimiza la intensidad del rayo

observado a 90º.

Partículas más grandes desvían en ángulo recto una fracción más

pequeña de luz. En estos caso se puede medir en ángulos menores ya

que las mayores intensidades están hacia adelante.

Turbidimetría: este problema es menor porque lo que se mide es la

radiación total eliminada, independientemente del mecanismo por el

que fue desviada.

Variables que afectan a las medidas

Número de partículas.

Tamaño y forma de las partículas.

Relación entre índices de refracción de las partículas y del medio en el que están suspendidas.

Longitud de onda de la radiación incidente.

La cantidad de radiación eliminada o desviada del haz primario depende de:

Número de partículas

Mayor número de partículas, mayor es la dispersión, y menor es la transmisión.

En turbidimetría, la transmitancia no depende de la concentración

(masa por unidad de volumen), sino del número de partículas que

obstruyen el paso de luz por unidad de volumen y del área de su

sección transversal.

Ejemplo: Cálculo del área de obstrucción a la radiación visible

que produce 1g. de un sólido en suspensión de d= 1,50 g/cc para

partículas supuestamente esféricas de radio:

a) 10-5 cm , finamente dividida.

b) 10-3 cm, más grueso.

Conclusión: El material más finamente dividido (radio menor)

obstruye más el paso de la luz por unidad de volumen, por lo que

partículas de radio muy pequeño NO se usan en Turbidimetría.

(la Pt es mínima o nula).

a) Una partícula finamente dividida: • Volumen de todas las partículas:

• No de partículas totales:

• El área de una partícula sería:

• El área para toda la suspensión:

b) Partícula más gruesa

• Variables que influyen en el tamaño y la forma de la partícula durante la formación de una suspensión:

concentración de los reactivos, temperatura, pH, orden de agregado de reactivos, forma y velocidad de agitación, estabilidad de la suspensión, presencia de otros materiales inertes, tiempo de crecimiento de la partícula.

• Soluciones de igual concentración de sólidos en suspensión pero de diferente

composición pueden no dispersar la misma cantidad de luz.

• Muestras y patrones requieren ser preparados en las mismas condiciones para que tengan una distribución comparable de partículas.

• A veces se añaden agentes tensioactivos para estabilizar el estado coloidal y evitar formación de partículas grandes o precipitación.

(glicerina, goma arábiga, etc).

• Para Nefelo el tamaño de la partícula es más importante que para Turbidi.

Tamaño y forma de las partículas

Índices de refracción de las partículas y del medio dispersante

Para que haya dispersión los índices de refracción de la partícula

y del medio deben ser distintos.

En algunos casos es conveniente cambiar el solvente para que la

diferencia entre los índices de refracción sea más grande.

Longitud de onda de la radiación

• La es un factor más crítico en Turbidimetría ya que en este método es necesario reducir a un mínimo la absorción. Al medir la T de una suspensión no es posible distinguir entre la radiación eliminada por absorción de la consumida por dispersión y es por esto importante elegir una a la que la muestra presente mínima absorción.

• En Nefelometría la incidente no es un problema excepto si induce fluorescencia.

INSTRUMENTACIÓN

Esquema de un TURBIDÍMETRO

Pueden usarse espectrofotómetros

Esquema de un NEFELÓMETRO

Nefelómetro marca BIOGEN:Fuente de luz laser rojoÁngulo de detección variable

TURBIDÍMETROS FUENTE: luz blanca (lámpara de wolframio) con un buen sistema monocromador para reducir al mínimo la absorción.

SMC: prisma o redes

DETECTORES: fototubos + fotomultiplicador

CUBETAS: cilíndricas pero es preferible cubetas de caras planas

NEFELÓMETROS

FUENTE: luz láser He-Ne, halógenas y de Xe.

S= TURBIDANCIA k = TURBIDICIDAD o = turbidicidad= 2,303 .k

(depende del tamaño y forma de la partícula, λ, índices de refracción de las partículas en suspensión y del medio).b= CAMINO ÓPTICO

Turbidimetría

(similar a ley de Beer)

Expresión válida únicamente para partículas pequeñas que presentan solamente dispersión Rayleigh.

Para que la medida sea exacta la potencia transmitida (Pt) no debe

ser similar a la potencia incidente (Po ) , por lo que la suspensión no

debe ser demasiado diluida.

Existen desviaciones al igual que en la Ley de Beer.

En la práctica se construye una recta de calibración en la que se representa “S”

en función de concentraciones conocidas de material dispersante.

Principio de la turbidimetría

Nefelometría

Relación empírica entre la potencia de luz dispersada y concentración:

donde :

C es la concentración

Pd: potencia de la radiación dispersada

Po: potencia de la radiación incidente

Ks es una constante del sistema determinada empíricamente (de la recta

de calibración); puede englobar Po.

En la práctica se construye la recta de calibración bajo condiciones rigurosamente controladas.

Se suele representar el log (Pd/Po) vs. concentración.

COMPARACIÓN

Turbidimetría Concentraciones altas.

Menor importancia el tamaño de la partículas.

Más crítica la elección de la long. de onda (se debe evitar absorción).

Unidad: A o T.

Nefelometría Concentraciones bajas.

Importante el tamaño de las partículas. (pequeña para disp. Rayleigh)

Menos crítica la elección de λ.

Unidad: NTU o FTU.

Unidades de Turbiedad

NTU, proporciona una referencia a la técnica de medición nefelométrica.

1 unidad nefelométrica de turbidez (NTU) = 1 ppm de formazina

1 unidad nefelométrica de turbided (NTU) = 7,5 ppm de Si02

FTU: unidad de turbidez de la formazina. Es idéntica al NTU.

La unidad de turbiedad (TU) fue definida "como la obstrucción óptica de la luz causada por una parte por millón de sílice en agua destilada”.

Patrón : Formazina Suspensión polimérica estable

Hexametilentetramina

Formazina

Aplicaciones

En laboratorios de control ambiental:

• Se utilizan estas técnicas en el análisis de la calidad química del agua y de bebidas, para determinar la claridad.

• Para el control de los procesos de tratamiento, aguas residuales, cosméticos, lubricantes, etc.

• Determinación de sulfatos, carbonatos, cloruros,calcio, zinc, etc.• Control de aire donde se determinan polvo y humos.

AplicacionesEn laboratorios de análisis clínicos: • Control de crecimiento bacteriano en un medio nutriente líquido.

• Métodos basados en reacciones inmunológicas mediante la formación de complejos antígeno-anticuerpo solos o inmunocomplejos unidos a micropartículas.

• Ejemplos: Determinación de proteína C reactiva, transferrina, proteína S antigénica libre, etc.

Aplicaciones

En Farmacia:

• Determinación de productos farmacéuticos como aminoácidos, vitaminas, antibióticos, nicotina, etc.

La turbiedad de un líquido es importante por muchas razones dependiendo de su uso.

Además del atractivo estético del agua clara, una baja turbiedad es importante en el

agua potable para minimizar los agentes patógenos contenidos en ella. La

turbiedad del agua puede ser causada por organismos dañinos, por partículas que

los alimentan o por partículas que pueden protegerlos en los procesos de

desinfección.

La ley exige que los depósitos de agua mantengan una turbiedad uniformemente baja

en su producto final de consumo.

En otro tipo de líquidos, la turbiedad puede ser causada por partículas perjudiciales

para su uso final. Puede usarse la turbiedad como control de calidad para

supervisar la eficacia del proceso de tratamiento.

Importancia de la turbiedad

Aplicaciones de la Turbidimetría (T) y de la Nefelometría (N) según el analito