Este documento proporciona una introducción a los métodos instrumentales de análisis químico. Explica que el objetivo es presentar los principios de los métodos espectroscópicos, electroanalíticos y cromatográficos, así como los tipos de instrumentos disponibles y sus ventajas y limitaciones. Además, clasifica los métodos analíticos y describe los componentes básicos de los instrumentos, los diferentes dominios de datos y elementos clave como detectores, transductores y sensores.

1. Análisis Instrumental
TEMA 1

2. Objetivo
 El objetivo de esta materia es proporcionar al
alumno una introducción a los principios de los
métodos de análisis espectroscópicos,
electroanalíticos y cromatográficos.
 También se presentará los tipos de instrumentos
actualmente disponibles, así como sus ventajas y
limitaciones.

3. Clasificación de los métodos analíticos
 Los métodos analíticos se suelen clasificar en:
 Clásicos (métodos de química húmeda)
 Instrumentales
 Esta clasificación es en gran medida una
clasificación histórica, los métodos clásicos
precedieron en un siglo o más a los métodos
instrumentales

4. Métodos clásicos (el pasado)….
 Separación de los componentes de interés de una
muestra (analitos), mediante:
 Precipitación
 Extracción
 Destilación
 Análisis Cualitativos
 Seguidamente los componentes ya separados se
trataban con reactivos dando origen a productos que se
podían identificar por su color, punto de ebullición o de
fusión, su solubilidad, su olor, su actividad óptica o su
índice de refracción.
 Análisis Cuantitativos
 La cantidad de analito se determinaba mediante medidas
gravimétricas o volumétricas.

5. Métodos instrumentales
 A principios del siglo XX, los químicos comenzaron a
usar fenómenos distintos para resolver los
problemas analíticos
 Las propiedades físicas
 Conductividad
 El potencial del electrodo
 La absorción o emisión de luz
 La relación masa/carga y la
 Fluorescencia
 A estos métodos más modernos para la separación
y determinación de especies químicas se les
conoce, en conjunto como métodos instrumentales
de análisis.

6. Tipos de Métodos Instrumentales

7. Comentarios
 La mayor parte de las propiedades requieren de una
fuente de energía para estimular una respuesta medible
que procede del analito.
 Se observa que las seis primeras entradas de la tabla
están relacionadas con las interacciones del analito y la
radiación electromagnética, las otras cuatro son
eléctricas y las ultimas cuatro tienen propiedades
diversas.
 No siempre es fácil elegir el método óptimo
 Tampoco es necesariamente cierto que los
procedimientos instrumentales utilicen aparatos más
sofisticados y más costosos (eje. Balanza analítica
electrónica para determinaciones gravimétricas es más
complejo y costoso)

8. Procedimientos instrumentales
 Además de los numerosos métodos señalados en la
segunda columna de la tabla 1, existe un grupo de
procedimientos instrumentales que se utilizan para
separar y resolver compuestos afines. La mayoría
de ellos están relacionados con la cromatografía y la
electroforesis.

9. Instrumentos para el análisis
 Un instrumento para el análisis químico transforma
la información relacionada con las propiedades
físicas o químicas del analito en información que
pueda ser manipulada e interpretada por un ser
humano.
 Se puede considerar como un dispositivo de
comunicación entre el sistema objeto de estudio y el
científico.
 La siguiente figura muestra un diagrama en bloques
del proceso completo de una medida isntrumental

10. Instrumento para el análisis

11. Proceso
 Se proporciona un estímulo, generalmente en
forma de energía electromagnética, eléctrica,
mecánica o nuclear
 El estímulo provoca una respuesta del sistema
objeto de estudio, esta respuesta se rige por las
leyes naturales de la Física y la Química
 La información resultante radica en el fenómeno
que surge de la interacción del estímulo con el
analito.

12. Ejemplo
 Ejemplo: Pasar una banda estrecha de
longitudes de onda de luz visible a través de una
muestra, para medir la capacidad de absorción
del analito. Se determina la intensidad de la luz
antes y después de su interacción con la
muestra y la relación entre ellas proporciona la
medida de la concentración del analito.
 En general, los instrumentos para el análisis
químico constan solamente de unos cuantos
componentes básicos, como se ve en la
siguiente tabla

13. Componentes de los instrumentos

14. Dominio de los datos
 En el proceso de medida colaboran una amplia
variedad de dispositivos que transforman la
información de una forma a otra.
 Para nuestro estudio de cómo funcionan los
instrumentos es importante entender la manera en la
que se codifica la información, o se transforma de un
sistema de información a otro.
 Los diferentes modos de codificar la información en
forma eléctrica se denomina dominio de los datos.

15. Dominio de los
datos

16. Dominios no eléctricos
 El proceso de medida empieza y termina en
dominios no eléctricos. Las propiedades físicas y
químicas que son de interés concreto radican en
estos dominios de los datos.
 Entre estas propiedades se encuentran:
 La longitud de onda
 La densidad
 La composición química
 La intensidad de la luz
 La presión
 Etc.
 ¿Es posible realizar una medida completa en
dominios no eléctricos?

17. Ejemplo de medición en dominios no
eléctricos
 La determinación de la masa de un objeto usando
una balanza mecánica de brazos iguales
 Conlleva a la comparación de la masa del objeto
con unos pesos patrones
 La información que representa la masa del objeto en
unidades patrón es codificada directamente por el
investigador.
 Otros ejemplos?

18. Comentarios
 A menudo, este tipo de medida, en dominios no
eléctricos se asocian con los métodos analíticos clásicos.
 No obstante han surgido diversos instrumentos
electrónicos los cuales recogen la información en
dominios no eléctricos, la procesa en dominios eléctricos
y finalmente la presentan otra vez en dominios no
eléctricos.
 Hay que recordar que la información buscada empieza
en las propiedades del analito y termina en un número,
siendo ambos dominios no eléctricos.
 El objetivo último de todas las medida es que el
resultado numérico final debe ser, de algún modo,
proporcional a la propiedad física o química inherente al
analito

19. Dominios eléctricos
 Las distintas modalidades de codificar la información
como cantidades eléctricas se pueden subdividir en
dominios analógicos, dominios del tiempo y
dominios digitales.
 Observa que el dominio digital abarca tres dominios
eléctricos y uno no eléctrico.
 Cualquier proceso de medida puede representarse
como una serie de conversiones entre distintos
dominios.
 La siguiente figura es un ejemplo de esta
declaración

21. Comentarios
 Energía aplicada: energía electromagnética (LASER)
 La radiación interacciona con las moléculas de quinina
del agua tónica para producir una emisión fluorescente
en una región del espectro característica de la quinina y
cuya magnitud es proporcional a su concentración.
 La intensidad de la emisión fluorescente, que pertenece
a un dominio no eléctrico, se codifica a un dominio
eléctrico con un dispositivo denominado transductor de
entrada (fotodetector)
 La señal se convierte a corriente eléctrica (dominio
eléctrico
 El voltímetro digital sirve para convertir los datos de
dominios eléctricos a no eléctricos y se denomina
transductor de salida

22. Dominios Analógicos
 En los dominios analógicos la información se
codifica como la magnitud de una cantidad eléctrica
(tensión, intensidad de corriente, carga o potencia).
 Son cantidades continuas en amplitud y tiempo
 Se pueden medir de manera continua, o en
momentos específicos de tiempo.
 Son susceptibles al ruido eléctrico

23. Ejemplo de señales analógicas

24. Dominios del tiempo
 En los dominios del
tiempo, la información
se almacena como las
variaciones de la señal
respecto al tiempo

25. Dominios del tiempo
 En los instrumentos que producen señales
periódicas, el número de ciclos de una señal por
unidad de tiempo es la frecuencia, y el tiempo
necesario para cada ciclo es su periodo.
 Ejemplos:
 Espectroscopia Raman
 Análisis instrumental por activación neutrónica

26. Dominios digitales
 En el dominio digital, los
datos se codifican en un
esquema de dos niveles
(sistema binario)
 La característica común
a todos estos
dispositivos es que sólo
puede estar en una de
las dos únicas
posiciones posibles.

27. Datos digitales

28. Serie y paralelo
 Los datos, dentro los instrumentos analíticos y en
las computadores, se transmiten mediante
transmisiones de datos en paralelo (distancias
cortas)
 Para transmisiones a larga distancia entre los
instrumentos u otras computadoras la comunicación
se realiza utilizando modems u otros sistemas de
transmisión de datos en serie.

29. Detectores, transductores y sensores
 Estos términos se usan frecuentemente como
sinónimos, pero tienen un significado con matices
diferentes.
 Detector
 Dispositivo mecánico, eléctrico o químico que identifica,
registra o indica un cambio en alguna de las variables de
su entorno, tal como la presión, la temperatura, la carga
eléctrica, la radiación electromagnética, la radiación
nuclear, las partículas o las moléculas. Un ejemplo es el
detector de UV utilizado, a menudo, para indicar o
registrar la presencia de los analitos eluidos en
cromatografía de líquidos.

30. Detectores, transductores y sensores
 Transductor
 Son los dispositivos que convierten la información en dominios no
eléctricos a dominios eléctricos y viceversa. Como ejemplo
tenemos a la fotodiodos, fotomultiplicadores, elementos
piezoeléctricos, termistores y otros.
 Sensor
 Un sensor es un dispositivo capaz de transformar magnitudes físicas o
químicas, llamadas variables de instrumentación, en magnitudes
eléctricas. Las variables de instrumentación dependen del tipo de sensor
y pueden ser por ejemplo temperatura, intensidad luminosa, distancia,
aceleración, inclinación, desplazamiento, presión, fuerza, torsión,
humedad, pH, etc. Una magnitud eléctrica obtenida puede ser una
resistencia eléctrica (como en una RTD), una capacidad eléctrica (como
en un sensor de humedad), una tensión eléctrica (como en un termopar),
una corriente eléctrica (como un fototransistor), etc. Un sensor se
diferencia de un transductor en que el sensor está siempre en contacto
con la variable a medir o a controlar.

31. Otros elementos del instrumental
 Dispositivos de lectura
 Es un transductor que convierte la información que
procede de un dominio eléctrico a otro que sea
comprensible para el observador
 Microprocesadores y computadoras en los
instrumentos
 La mayoría de los instrumentos analíticos en la
actualidad disponen de uno o más dispositivos
electrónicos que se encargan de adquirir, procesar,
almacenar y transmitir la información

33. Selección de un método analítico
TEMA1

34. Es difícil la selección
 La dificultad reside en la gran variedad de métodos y
herramientas que se disponen para realizar los
análisis.
 En esta parte de la unidad 1, ponemos a
consideración algunos criterios para hacer la
elección adecuada.

35. Definición del problema
1. ¿Qué exactitud se requiere?
2. ¿De cuanta muestra se dispone?
3. ¿En qué intervalo de concentración está el analito?
4. ¿Qué componentes de la muestra interfieren?
5. ¿Cuáles son la propiedades físicas y químicas de
la matriz de la muestra?
6. ¿Cuántas muestra hay que realizar?

36. Parámetros
de calidad
Criterios
Cuantitativos

37. Características a tener en cuenta en la
elección del método
 Velocidad
 Facilidad y comodidad
 Habilidad del operador
 Costo y disponibilidad del equipo
 Costo por muestra

38. Precisión
 La precisión de los datos analíticos se define como
el grado de concordancia mutua entre los datos que
se han obtenido de una misma forma.
 Indica la medida del error aleatorio, o indeterminado
de un análisis.
 Los parámetros de calidad de la precisión son:
 La desviación estándar absoluta
 La desviación estándar relativa
 El coeficiente de variación y
 La varianza

39. Sesgo
 El sesgo mide el error sistemático, o determinado de
un método analítico
 Se puede considerar que la media de 20 a 30
análisis replicados es una buena estimación de la
media de la población de la concentración de un
analito en una muestra cuya concentración
verdadera es xt
 En general, al desarrollar un método analítico, todos
los esfuerzos se dirigen hacia la identificación de la
causa del sesgo y a su eliminación o corrección, una
forma puede ser el calibrado del instrumento.

40. Sensibilidad
 Es una medida de la capacidad de un instrumento o
método, de diferenciar pequeñas variaciones en la
concentración del analito.
 Dos factores limitan la sensibilidad:
 La pendiente de la curva de calibrado y
 La reproducibilidad o precisión del sistema de medida.
 Entre dos métodos que tengan igual precisión, será
más sensible aquel cuya curva de calibrado tenga
mayor pendiente.

41. ¿Qué gráfica tiene mayor sensibilidad?
a b c

42. Límite de detección
 Es la mínima concentración o la mínima masa de
analito que se puede detectar para un nivel de
confianza dado
Intervalo lineal

43. Selectividad
 La selectividad de un método analítico indica el
grado de ausencia de interferencia con otras
especies que contienen la matriz de la muestra.
 Por lo general, ningún método analítico está
totalmente libre de estas interferencias y, con
frecuencia, hay que realizar diversas etapas para
minimizar sus efectos.
 Practica: Resolver los problemas de la unidad 1
dados en las hojas de teoría.

46. Gráficas de calibración en análisis instrumental
Curva o gráfica analítica
Método de adición de estándar
Método del estándar interno
Curva o gráfica analítica
Se preparan una serie de disoluciones patrón de forma que cubran
un intervalo de concentraciones adecuado y que tengan una composición en
matriz parecida a la de la muestra. También se prepara un blanco, este tiene
igual composición que los demás estándares pero sin el analito. Su señal
debería ser cero pero a veces por efecto del ruido de fondo no es así.
Se representan las respuestas en una gráfica frente a las concentraciones de
los estándares que las han proporcionado. Generalmente hay una relación
lineal entre la señal analítica (y) y la concentración (x) y por ello los datos se
ajustan a una recta por el método de mínimos cuadrados según y=ax+b,
siendo y la señal instrumental, a la pendiente, b la ordenada en el origen y x
las concentraciones de los estándares.
Una vez obtenida la gráfica, se interpola la señal de la muestra y se obtiene
la concentración de analito en la muestra.

48. Método de adición de estándar
Se usa cuando es imposible suprimir interferencias físicas o químicas en la
matriz de la muestra.
Se toman alícuotas iguales de muestra, se le añade a cada una por
separado cantidades diferentes de patrón, excepto a una de ellas y se
realiza la medida.
La escala de concentración (x) se define con las concentraciones de analito
agregadas a las alícuotas de muestra, por tanto, la concentración
desconocida está dada por el punto en el cual la línea extrapolada corta al
efe de concentración. La recta de regresión se establece mediante mínimos
cuadrados.

51. Método del estándar interno
En este método una cantidad fija de una sustancia pura (estándar interno) se
añade tanto a las disoluciones muestra como a las disoluciones de patrones. El
estándar interno debe ser una sustancia de naturaleza similar a la del analito, con
una señal fácilmente medible y que no interfiera con la respuesta del analito.
Se determinan luego las respuestas del analito y del estándar interno, y se calcula
el cociente de las dos respuestas. De esta manera si se varía algún parámetro que
afecte a las respuestas medidas, dichas respuestas (del analito y estándar interno)
se deben afectar por igual. Por tanto, el cociente de respuestas (del analito y del
estándar interno) depende solamente de la concentración de analito.
Una representación de la relación o cociente de respuestas analito/estándar
interno, como función de la concentración del analito, da una gráfica de calibración
(por mínimos cuadrados).
Este método se usa mucho en cromatografía de gases y absorción atómica.

53. LIMITES DE DETECCION Y CUANTIFICACION
El límite de detección es la menor concentración de analito en
una muestra determinada que puede ser positivamente
identificada con un método analítico determinado.
Límite de cuantificación es la menor concentración de analito
en una muestra determinada que puede proporcionar una
medida cuantitativa positiva, utilizando un método analítico
determinado.
Sensibilidad: Se refiere a la pendiente de la recta de calibrado
resultante al representar concentración de analito frente a señal.
Un método será más sensible cuanto mas pronunciada es la
recta de calibrado, ya que esto significa que una pequeña
variación en la concentración de analito proporciona una
elevada variación en la respuesta instrumental.

54. Cálculo de los límites de detección y determinación.
Límite de detección:
La concentración de analito que proporciona una señal instrumental
significativamente diferente de la señal de una muestra en blanco.
Es aquella concentración de analito cuya señal es igual a la del blanco más tres
veces su desviación estándar.
LOD = yB + 3SB
Donde yB es la señal del blanco y SB su desviación estándar
Límite de determinación o cuantificación:
Es la concentración de analito que da una señal igual a la del blanco más diez
veces su desviación estándar.
LOQ = yB + 10SB

56. Señal-Ruido
La señal analítica puede dividirse en dos partes, una causada por el
analito y la otra por los demás componentes de la matriz de la muestra y
por la instrumentación utilizada en la medición. Esta última parte de la
señal se conoce como ruido.
Por esta razón para describir la calidad de un método analítico o el
funcionamiento de un instrumento, la relación señal/ruido es un parámetro
de calidad mucho mejor que el ruido solo.
La capacidad de un sistema para discriminar entre señales y ruido se
expresa, usualmente como la relación señal ruido Así conforme las
concentraciones disminuyen hacia el nivel traza, el problema de distinguir
las señales respecto al ruido se hace cada vez más difícil, lo que
ocasiona una disminución en la exactitud y en la precisión de las
mediciones a la vez que se aumenta el límite inferior de la cantidad de
analito que se puede detectar.
Como norma general la detección cierta de una señal mediante un
sistema visual resulta imposible cuando S/N < 2 ó 3.
Un aumento en la relación S/N generalmente indica una reducción del
ruido y, por tanto, una medición más deseable.