7.5: Transductores de radiación

Introducción

En el método original de Nessler para determinar el amoníaco (ver Sección 7.4) el ojo del analista sirve como detector, haciendo coincidir el color de la muestra con el de un estándar. El ojo humano, por supuesto, tiene un rango pobre —responde solo a la luz visible— y no es particularmente sensible ni preciso. Los detectores modernos utilizan un transductor sensible para convertir una señal que consiste en fotones en una señal eléctrica de fácil medición. Idealmente, la señal del detector, S, es una función lineal de la potencia de la radiación electromagnética, P,

\[S=k P+D  \]

donde k es la sensibilidad del detector, y D es la corriente oscura del detector, o la corriente de fondo cuando evitamos que la radiación de la fuente llegue al detector. Existen dos clases amplias de transductores espectroscópicos: los transductores de fotones y los transductores térmicos, aunque subdividiremos los transductores de fotones dada su rica variedad. La tabla\(\PageIndex{1}\) proporciona varios ejemplos representativos de cada clase de transductores.

Transductor es un término general que se refiere a cualquier dispositivo que convierta una propiedad química o física en una señal eléctrica de fácil medición. La retina en tu ojo, por ejemplo, es un transductor que convierte los fotones en un impulso nervioso eléctrico; tu tímpano es un transductor que convierte las ondas sonoras en un impulso nervioso eléctrico diferente.

Mesa\(\PageIndex{1}\). Ejemplos de Transductores para Espectroscopia

transductor	clase	rango de longitud de onda	señal de salida
célula fotovoltaica	fotón	350—750 nm	actual
fototubo	fotón	200—1000 nm	actual
fotomultiplicador	fotón	110—1000 nm	actual
Fotodiodo Si	fotón	250—1100 nm	actual
fotoconductor	fotón	750—6000 nm	cambio en la resistencia
célula fotovoltaica	fotón	400—5000 nm	corriente o voltaje
termopar	térmica	0.8—40 µm	voltaje
termistor	térmica	0.8—40 µm	cambio en la resistencia
neumáticas	térmica	0.8—1000 µm	desplazamiento de membrana
piroeléctrico	térmica	0.3—1000 µm	actual

Transductores de fotones

Un transductor de fotones toma un fotón y lo convierte en una señal eléctrica, como una corriente, un cambio en la resistencia o un voltaje. Muchos de estos detectores utilizan un semiconductor como superficie fotosensible. Cuando el semiconductor absorbe fotones, los electrones de valencia se mueven a la banda de conducción del semiconductor, produciendo una corriente medible.

Celdas Fotovoltaicas

Una célula fotovoltaica (Figura\(\PageIndex{1}\)) consiste en una película delgada de un material semiconductor, como el selenio intercalado entre dos electrodos: un electrodo base de hierro o cobre y una fina capa semitransparente de plata u oro que sirve como electrodo colector. Cuando un fotón de luz visible cae sobre la célula fotovoltaica genera un electrón y un agujero con una carga positiva dentro del semiconductor. El movimiento de los electrones desde el electrodo colector al electrodo base genera una corriente que es proporcional a la potencia de la radiación entrante y que sirve como señal.

Figura\(\PageIndex{1}\): Diagrama esquemático de una célula fotovoltaica que consiste en una película delgada semiconductora de selenio colocada entre dos electrodos. Cuando un fotón golpea el semiconductor, genera un electrón y un agujero que lleva una carga positiva. El movimiento del electrón desde el electrodo colector hasta el electrodo base genera una corriente medible.

Fototubos y Fotomultiplicadores

Los fototubos y fotomultiplicadores utilizan una superficie fotosensible que absorbe radiación en el ultravioleta, visible o IR cercano para producir una corriente eléctrica que es proporcional al número de fotones que llegan al transductor (ver Figura\(\PageIndex{2}\)). La corriente resulta de aplicar un potencial negativo a la superficie fotoemisiva y un potencial positivo a un alambre que sirve como ánodo. En un tubo fotomultiplicador, una serie de dinodos cargados positivamente sirve para amplificar la corriente, produciendo 10 ⁶ —10 ⁷ electrones por fotón.

Figura\(\PageIndex{2}\) .Esquema de un fototubo (izquierda) y un tubo fotomultiplicador (derecha). En ambos, un fotón golpea el cátodo fotoemisivo produciendo electrones. En el fototubo, los electrones que son atraídos hacia un ánodo cargado positivamente, generando una corriente. En el tubo fotomultiplicador, los electrones aceleran hacia un dinodo cargado positivamente. La colisión de estos electrones con el dinodo genera electrones adicionales, los cuales aceleran hacia el siguiente dinodo. Un total de 10 ⁶ —10 ⁷ electrones por fotón eventualmente llegan al ánodo, generando una corriente eléctrica.

Fotodiodos de Silicio

La aplicación de una tensión polarizada inversa a la unión pn de un semiconductor de silicio crea una zona de agotamiento en la que la conductancia es cercana a cero (ver Capítulo 2 para una discusión anterior de los semiconductores). Cuando un fotón de luz de suficiente energía incide en la zona de agotamiento, se forma un par electrón-hueco. El movimiento del electrón a través de la región n y del agujero a través de la región p genera una corriente que es proporcional al número de fotones que llegan al detector. Un fotodiodo de silicio tiene un amplio rango espectral de aproximadamente 190 nm a 1100 nm, lo que lo hace versátil; sin embargo, un fotodiodo es menos sensible que un fotomultiplicador.

Figura\(\PageIndex{3}\): Ilustración de fotodiodo de silicio. Consulte el texto para una descripción de cómo funciona el deterctor.

Transductores de fotones multicanal

Los transductores de fotones discutidos anteriormente detectan luz a una sola longitud de onda que pasa por el monocromador al detector. Si queremos grabar un espectro completo entonces debemos ajustar continuamente el monocromador ya sea manualmente o usando un servomotor. En un instrumento multicanal creamos una matriz unidimensional o bidimensional de detectores que nos permiten monitorear simultáneamente la radiación que abarca un amplio rango de longitudes de onda.

Matrices de fotodiodos

Un fotodiodo de silicio individual es bastante pequeño, típicamente con un ancho de aproximadamente 0.025 mm. Como resultado, una matriz lineal (unidimensional) que consta de 1024 fotodiodos individuales tiene un ancho de solo 25.6 mm. La figura\(\PageIndex{4}\), por ejemplo, muestra el detector UV de una HPLC. La luz de la lámpara de deuterio pasa a través de una celda de flujo, se dispersa por una rejilla de difracción y luego se enfoca sobre una matriz lineal de fotodiodos. El primer plano de la derecha muestra la porción activa de la matriz de fotodiodos cubierta por una ventana óptica. El ancho activo de esta matriz de fotodiodos es de aproximadamente 6 mm e incluye más de 200 fotodiodos individuales, suficientes para proporcionar una resolución de 1 nm de 180 nm a 400 nm.

Figura\(\PageIndex{4}\): La foto de la izquierda muestra el detector UV de una HPLC y la foto de la derecha muestra una vista en primer plano del deterctor de matriz lineal de fotodiodos. La línea brillante, de la luz reflejada, es la matriz de fotodiodos. La porción activa de este detector está cubierta por una ventana ópticamente transparente.

Dispositivos de transferencia de carga

Una forma de aumentar la sensibilidad de un detector es recoger y almacenar los cargos antes de contarlos. Este es el enfoque adoptado con dos tipos de dispositivos de transferencia de carga: detectores de carga acoplada y detectores de inyección de carga. Los detectores individuales, o píxeles, consisten en una capa de dióxido de silicio recubierta en la parte superior del semiconductor. Cuando un fotón incide en el detector, crea un par electrón-agujero. Un electrodo en la parte superior de la capa de dióxido de silicio recoge y almacena los electrones cargados negativamente o los agujeros cargados positivamente. Después de un tiempo suficiente, durante el cual se recaudan 10,000-100,000 cargos, se mide la carga total acumulada. Debido a que los píxeles individuales son pequeños, típicamente de 10 µm, pueden disponerse en una matriz lineal, unidimensional o bidimensional. Un dispositivo de transferencia de carga con 1024 x 1024 píxeles tendrá un tamaño aproximado de 10 mm x 10 mm.

Nota

Existen dos importantes dispositivos de transferencia de carga utilizados como detectores: un dispositivo de carga acoplada (CCD), que se analiza a continuación, y un dispositivo de inyección de carga (CID), que se discute en el Capítulo 10. Ambos tipos de dispositivos utilizan una matriz bidimensional de detectores individuales que almacenan carga. Los dos dispositivos difieren principalmente en cómo se leen las cargas acumuladas.

La figura\(\PageIndex{5}\) muestra una sección transversal de un solo detector (píxel) en un dispositivo de carga acoplada (CCD) donde los píxeles individuales están dispuestos en una matriz bidimensional. Los pares electrón-agujero se crean en una capa de silicio dopado con p. Los agujeros migran a la capa de silicio dopado con n y los electrones se dibujan hacia el área debajo de un electrodo cargado positivamente. Cuando es el momento de registrar las cargas acumuladas, la carga se lee en la esquina superior derecha de la matriz con las cargas en la misma fila medidas desplazándolas de izquierda a derecha. Cuando se lee la primera fila, las cargas en las filas restantes se desplazan hacia arriba y se registran. En un dispositivo de inyección de carga, se invierten los papeles de los electrones y los agujeros y se registra la carga positiva acumulada.

Figura\(\PageIndex{5}\): Diagrama esquemático de un dispositivo de carga acoplada (CCD). La figura de la izquierda muestra un solo detector, o píxel. Cuando un fotón incide en el detector genera un par electrón-hueco en la capa dopada p. Los electrones migran y se acumulan debajo de un electrodo cargado positivamente. Los píxeles individuales están dispuestos en una matriz, como se muestra a la derecha. Esta matriz puede ser una sola fila (una matriz lineal o unidimensional) o en una serie de filas. La carga en cada píxel se registra desplazando los píxeles de izquierda a derecha y moviendo filas de píxeles hacia arriba.

La figura\(\PageIndex{6}\) muestra un ejemplo de espectrofotómetro equipado con un detector CCD lineal que incluye 2048 elementos individuales con un rango de longitud de onda de 200 nm a 1100 nm. El espectrómetro está alojado en un espacio compacto de 90 mm x 60 mm

Figura\(\PageIndex{6}\): Ejemplo de un espectrofotómetro equipado con un detector CCD lineal.

Transductores Térmicos

Los fotones infrarrojos no tienen suficiente energía para producir una corriente medible con un transductor de fotones. Un transductor térmico, por lo tanto, se utiliza para la espectroscopia infrarroja. La absorción de fotones infrarrojos aumenta la temperatura de un transductor térmico, cambiando una o más de sus propiedades características. Un transductor neumático, por ejemplo, es un pequeño tubo de gas xenón con una ventana transparente IR en un extremo y una membrana flexible en el otro extremo. Los fotones entran al tubo y son absorbidos por una superficie ennegrecida, aumentando la temperatura del gas. A medida que la temperatura dentro del tubo fluctúa, el gas se expande y se contrae y la membrana flexible se mueve dentro y fuera. El monitoreo del desplazamiento de la membrana produce una señal eléctrica.