La absorbancia se define comúnmente [1] como "el logaritmo de la relación entre la potencia radiante incidente y la transmitida a través de una muestra (excluidos los efectos sobre las paredes celulares)". Alternativamente, para las muestras que dispersan la luz, la absorbancia puede definirse como "el logaritmo negativo de uno menos la absortancia, medido en una muestra uniforme". [2]El término se utiliza en muchas áreas técnicas para cuantificar los resultados de una medición experimental. Si bien el término tiene su origen en la cuantificación de la absorción de luz, a menudo se mezcla con la cuantificación de la luz que se "pierde" en un sistema detector a través de otros mecanismos. Lo que estos usos del término tienden a tener en común es que se refieren a un logaritmo de la relación entre la cantidad de luz que incide en una muestra o material y la que se detecta después de que la luz ha interactuado con la muestra.
El término absorción se refiere al proceso físico de absorber luz, mientras que la absorbancia no siempre mide solo la absorción: puede medir la atenuación (de la energía radiante transmitida), causada por la absorción, pero también la reflexión, la dispersión y otros procesos físicos.
Historia y usos del término absorbancia
Ley de Bouguer-Lambert
Las raíces del término absorbancia se encuentran en la ley de Bouguer ( ley de Bouguer-Lambert). A medida que la luz se mueve a través de un medio, se volverá más tenue a medida que se "extinga". Bouguer reconoció que esta extinción (ahora a menudo llamada atenuación) no era lineal con la distancia recorrida a través del medio, sino que estaba relacionada con lo que ahora llamamos una función exponencial. Si es la intensidad de la luz al comienzo del viaje y es la intensidad de la luz detectada después de viajar una distancia , la fracción transmitida, , es dado por: , dónde se denomina constante de atenuación (término utilizado en varios campos donde una señal se transmite a través de un medio) o coeficiente. La cantidad de luz transmitida disminuye exponencialmente con la distancia. Tomando el logaritmo napieriano (natural) en la ecuación anterior, obtenemos: . Para medios de dispersión, la constante a menudo se divide en dos partes, , separándolo en un coeficiente de dispersión, , y un coeficiente de absorción, , [3] obteniendo: .
Si el tamaño de un detector es muy pequeño en comparación con la distancia recorrida por la luz, cualquier luz que sea dispersada por una partícula, ya sea hacia adelante o hacia atrás, no llegará al detector. En tal caso, una parcela deen función de la longitud de onda producirá una superposición de los efectos de absorción y dispersión. Debido a que la porción de absorción es más distinta y tiende a viajar sobre un fondo de la porción de dispersión, a menudo se usa para identificar y cuantificar las especies absorbentes. En consecuencia, esto a menudo se denomina espectroscopia de absorción , y la cantidad trazada se llama "absorbancia", simbolizada como. Algunas disciplinas por convención usan absorbancia decádica en lugar de absorbancia napieriana, lo que resulta en: (con el subíndice 10 generalmente no se muestra).
Ley de Beer con muestras que no se dispersan
Dentro de un medio homogéneo como una solución, no hay dispersión. Para este caso, investigado extensamente por August Beer, la concentración de la especie absorbente sigue la misma respuesta lineal que la longitud del camino. Además, las contribuciones de las especies absorbentes individuales son aditivas. Esta es una situación muy favorable y hace que la absorbancia como métrica de absorción sea mucho más preferible a la fracción de absorción (absortancia). Este es el caso para el que se utilizó por primera vez el término "absorbancia".
Una expresión común de la ley de Beer relaciona la atenuación de la luz en un material como: , dónde es la absorbancia ; es el coeficiente de atenuación molar o absortividad de las especies atenuantes;es la longitud del camino óptico; y es la concentración de las especies atenuantes.
Absorbancia para dispersar muestras
Para las muestras que dispersan la luz, la absorbancia se define como "el logaritmo negativo de uno menos la absorbancia (fracción de absorción: ) medido en una muestra uniforme ". [2] Para la absorbancia decádica, [4] esto puede simbolizarse como:. Si una muestra transmite y remite luz y no es luminiscente, la fracción de luz absorbida (), remitido () y transmitido () agregar a 1, o: . Tenga en cuenta que , y la fórmula se puede escribir como: . Para una muestra que no se esparza, , y , obteniendo la fórmula para la absorbancia de un material que se analiza a continuación.
Aunque esta función de absorbancia es muy útil con muestras dispersas, la función no tiene las mismas características deseables que tiene para las muestras no dispersas. Sin embargo, existe una propiedad denominada poder de absorción que puede estimarse para estas muestras. El poder de absorción de una sola unidad de espesor de material que forma una muestra de dispersión es el mismo que la absorbancia del mismo espesor del material en ausencia de dispersión. [5]
Óptica
En óptica , la absorbancia o absorbancia decádica es el logaritmo común de la relación entre la energía radiante incidente y la transmitida a través de un material, y la absorbancia espectral o la absorbancia decádica espectral es el logaritmo común de la relación entre la energía radiante incidente y la transmitida a través de un material. La absorbancia es adimensional y, en particular, no es una longitud, aunque es una función que aumenta monótonamente de la longitud de la ruta y se acerca a cero cuando la longitud de la ruta se acerca a cero. Se desaconseja el uso del término "densidad óptica" para absorbancia.
Definiciones matemáticas
Absorbancia de un material
La absorbancia de un material, denotado A , viene dada por [1]
dónde
- es el flujo radiante transmitido por ese material,
- es el flujo radiante recibido por ese material,
- es la transmitancia de ese material.
La absorbancia es una cantidad adimensional . Sin embargo, la unidad de absorbancia o AU se usa comúnmente en espectroscopía ultravioleta-visible y sus aplicaciones de cromatografía líquida de alto rendimiento , a menudo en unidades derivadas como la unidad de mili-absorbancia (mAU) o mili-unidad de absorbancia-minutos (mAU × min) , una unidad de absorbancia integrada en el tiempo. [6]
La absorbancia está relacionada con la profundidad óptica por
donde τ es la profundidad óptica.
Absorbancia espectral
La absorbancia espectral en frecuencia y la absorbancia espectral en la longitud de onda de un material, denotadas A ν y A λ respectivamente, están dadas por [1]
dónde
- Φ e, ν t es el flujo radiante espectral en frecuencia transmitido por ese material,
- Φ e, ν i es el flujo radiante espectral en frecuencia recibido por ese material,
- T ν es la transmitancia espectral en frecuencia de ese material,
- Φ e, λ t es el flujo radiante espectral en longitud de onda transmitido por ese material,
- Φ e, λ i es el flujo radiante espectral en longitud de onda recibido por ese material,
- T λ es la transmitancia espectral en longitud de onda de ese material.
La absorbancia espectral se relaciona con la profundidad óptica espectral por
dónde
- τ ν es la profundidad óptica espectral en frecuencia,
- τ λ es la profundidad óptica espectral en longitud de onda.
Aunque la absorbancia es propiamente sin unidades, a veces se informa en "unidades de absorbancia" o AU. Muchas personas, incluidos los investigadores científicos, declaran erróneamente los resultados de los experimentos de medición de absorbancia en términos de estas unidades inventadas. [7]
Relación con la atenuación
Atencion
La absorbancia es un número que mide la atenuación de la potencia radiante transmitida en un material. La atenuación puede ser causada por el proceso físico de "absorción", pero también por reflexión, dispersión y otros procesos físicos. La absorbancia de un material es aproximadamente igual a su atenuación [ aclaración necesaria ] cuando tanto la absorbancia es mucho menor que 1 y la emitancia de ese material (que no debe confundirse con la salida radiante o emisividad ) es mucho menor que la absorbancia. En efecto,
dónde
- Φ e t es la potencia radiante transmitida por ese material,
- Φ e att es la potencia radiante atenuada por ese material,
- Φ e i es la potencia radiante recibida por ese material,
- Φ e e es la potencia radiante emitida por ese material,
que es equivalente a
dónde
- T = Φ e t / Φ e i es la transmitancia de ese material,
- ATT = Φ e att / Φ e i es la atenuación de ese material,
- E = Φ e e / Φ e i es la emitancia de ese material,
y de acuerdo con la ley de Beer-Lambert , T = 10 −A , entonces
y finalmente
Coeficiente de atenuación
La absorbancia de un material también está relacionada con su coeficiente de atenuación decádica por
dónde
- l es el grosor de ese material a través del cual viaja la luz,
- a ( z ) es el coeficiente de atenuación decádica de ese material en z .
Si a ( z ) es uniforme a lo largo de la trayectoria, se dice que la atenuación es una atenuación lineal , y la relación se vuelve
A veces, la relación se da utilizando el coeficiente de atenuación molar del material, es decir, su coeficiente de atenuación dividido por su concentración molar :
dónde
- ε es el coeficiente de atenuación molar de ese material,
- c ( z ) es la concentración molar de ese material en z .
Si c ( z ) es uniforme a lo largo de la trayectoria, la relación se convierte en
Se desaconseja el uso del término "absortividad molar" para el coeficiente de atenuación molar. [1]
Mediciones
Medidas logarítmicas frente a medidas directamente proporcionales
La cantidad de luz transmitida a través de un material disminuye exponencialmente a medida que viaja a través del material, de acuerdo con la ley de Beer-Lambert (A = (ε) (l)). Dado que la absorbancia de una muestra se mide como un logaritmo, es directamente proporcional al espesor de la muestra y a la concentración del material absorbente en la muestra. Algunas otras medidas relacionadas con la absorción, como la transmitancia, se miden como una relación simple, por lo que varían exponencialmente con el espesor y la concentración del material.
Absorbancia: −log 10 (Φ e t / Φ e i ) | Transmitancia: Φ e t / Φ e i |
---|---|
0 | 1 |
0,1 | 0,79 |
0,25 | 0,56 |
0,5 | 0,32 |
0,75 | 0,18 |
0,9 | 0,13 |
1 | 0,1 |
2 | 0,01 |
3 | 0,001 |
Rango de medición del instrumento
Cualquier instrumento de medición real tiene un rango limitado sobre el cual puede medir con precisión la absorbancia. Un instrumento debe calibrarse y compararse con estándares conocidos si se va a confiar en las lecturas. Muchos instrumentos se volverán no lineales (no seguirán la ley de Beer-Lambert) a partir de aproximadamente 2 AU (~ 1% de transmisión). También es difícil medir con precisión valores de absorbancia muy pequeños (por debajo de 10 −4 ) con instrumentos disponibles comercialmente para análisis químico. En tales casos, se pueden utilizar técnicas de absorción basadas en láser , ya que han demostrado límites de detección que superan a los obtenidos por instrumentos convencionales no basados en láser en muchos órdenes de magnitud (las detecciones se han demostrado hasta 5 × 10 - 13 ). La mejor precisión teórica para la mayoría de los instrumentos no basados en láser disponibles comercialmente se alcanza en el rango cercano a 1 AU. Entonces, cuando sea posible, la longitud de la trayectoria o la concentración deben ajustarse para lograr lecturas cercanas a este rango.
Método de medición
Normalmente, la absorbancia de una sustancia disuelta se mide mediante espectroscopia de absorción . Esto implica hacer brillar una luz a través de una solución y registrar cuánta luz y qué longitudes de onda se transmitieron a un detector. Con esta información, se pueden determinar las longitudes de onda que fueron absorbidas. [8] Primero, las mediciones en un "blanco" se toman usando solo el solvente como referencia. Esto es para que se conozca la absorbancia del solvente, y luego cualquier cambio en la absorbancia cuando se mide la solución completa se realiza solo con el soluto de interés. Luego se toman las medidas de la solución. El flujo radiante espectral transmitido que atraviesa la muestra de solución se mide y se compara con el flujo radiante espectral incidente. Como se indicó anteriormente, la absorbancia espectral a una longitud de onda dada es
El espectro de absorbancia se representa en un gráfico de absorbancia frente a la longitud de onda. [9]
Un espectrofotómetro UV-Vis hará todo esto automáticamente. Para utilizar esta máquina, las soluciones se colocan en una cubeta pequeña y se insertan en el soporte. La máquina se controla a través de una computadora y, una vez que se ha "borrado", muestra automáticamente la absorbancia trazada frente a la longitud de onda. Obtener el espectro de absorbancia de una solución es útil para determinar la concentración de esa solución usando la ley de Beer-Lambert y se usa en HPLC .
Número de sombra
Algunos filtros, especialmente el vidrio de soldadura , se clasifican por el número de tono (SN), que es 7/3 veces la absorbancia más uno: [10]
o
Por ejemplo, si el filtro tiene 0.1% de transmitancia (0.001 transmitancia, que es 3 unidades de absorbancia), su número de tono sería 8.
Ver también
- Absorción
- Espectroscopía de absorción de láser de diodo sintonizable (TDLAS)
- Densitometria
- Filtro de densidad neutra
- Descripciones matemáticas de opacidad
Referencias
- ^ a b c d IUPAC , Compendio de terminología química , 2ª ed. (el "Libro de oro") (1997). Versión corregida en línea: (2006–) " Absorbancia ". doi : 10.1351 / goldbook.A00028
- ^ a b Química (IUPAC), La Unión Internacional de Puras y Aplicadas. "IUPAC - absorbancia decádica (D01536)" . goldbook.iupac.org . doi : 10.1351 / goldbook.d01536 . Consultado el 24 de mayo de 2021 .
- ^ "Dispersión de luz por partículas pequeñas. Por HC van de Hulst. Nueva York (John Wiley and Sons), Londres (Chapman y Hall), 1957. Pp. Xiii, 470; 103 Figs .; 46 Tables. 96s" . Revista trimestral de la Royal Meteorological Society . 84 (360): 198-199. 1958. doi : 10.1002 / qj.49708436025 . ISSN 1477-870X .
- ^ Bertie, John E. (15 de agosto de 2006), Chalmers, John M .; Griffiths, Peter R. (eds.), "Glosario de términos utilizados en espectroscopia vibratoria" , Manual de espectroscopia vibratoria , Chichester, Reino Unido: John Wiley & Sons, Ltd, págs. S8401, doi : 10.1002 / 0470027320.s8401 , ISBN 978-0-471-98847-2, consultado el 25 de mayo de 2021
- ^ Dahm, Donald; Dahm, Kevin (1 de junio de 2007). Interpretación de la reflectancia difusa y la transmitancia: una introducción teórica a la espectroscopia de absorción de materiales de dispersión . Publicaciones de mensajería instantánea. págs. 31–33. ISBN 978-1-901019-05-6.
- ^ Atención médica de GE. Sistemas de cromatografía a escala de laboratorio ÄKTA: manual de gestión de instrumentos. GE Healthcare Bio-Sciences AB, Uppsala, 2015. https://cdn.gelifesciences.com/dmm3bwsv3/AssetStream.aspx?mediaformatid=10061&destinationid=10016&assetid=16189
- ^ Kamat, Prashant; Schatz, George C. (2013). "Cómo hacer que su próximo trabajo sea científicamente eficaz". J. Phys. Chem. Lett . 4 (9): 1578-1581. doi : 10.1021 / jz4006916 . PMID 26282316 .
- ^ Reusch, William. "Espectroscopia visible y ultravioleta" . Consultado el 29 de octubre de 2014 .
- ^ Reusch, William. "Reglas empíricas para longitudes de onda de absorción de sistemas conjugados" . Consultado el 29 de octubre de 2014 .
- ^ Russ Rowlett (1 de septiembre de 2004). "¿Cuántos? Un diccionario de unidades de medida" . Unc.edu . Consultado el 20 de septiembre de 2010 .