¿Qué es un espectrofotómetro y cómo funciona?

Los espectrómetros o espectrofotómetros son herramientas valiosas que las empresas utilizan para garantizar la calidad y consistencia de los productos que fabrican y venden. Pueden decirnos si el aceite está contaminado o si la fruta está madura. Garantizan que su ketchup de tomate favorito tenga el mismo rojo, lote a lote. Proporcionan la seguridad y eficacia de los medicamentos que usted toma. Son una herramienta valiosa para garantizar la integridad de la marca corporativa y que la coherencia y el rendimiento permanecen intactos en todo un almacén de productos. Para entender cómo funcionan los espectrofotómetros, necesitamos comprender la ciencia de la espectrofotometría.

La espectrofotometría es la ciencia que estudia cómo interactúa la luz con la materia. Los objetos que vemos a diario son diferentes formas de materia: sólidos, líquidos y gases. Te sorprenderá saber que la materia no posee color. Una manzana parece roja porque la luz interactúa con su composición química. Cuando la luz incide sobre la materia, algunas longitudes de onda son absorbidas y otras emitidas. Vemos y percibimos la luz emitida como "color".

Los espectrofotómetros imitan esta condición de observación visual, proporcionando información sobre el color de los materiales que es significativa y procesable, lo que permite a las empresas garantizar la precisión del color y la coherencia en toda su gama de productos y colores de marca.

Entonces, ¿cómo se produce todo esto a partir de un espectrofotómetro y cómo lo utilizamos? La ciencia que hay detrás de esta herramienta es sólida y puede utilizarse de varias formas distintas. Para aclararlo, hemos recopilado información sobre cómo contribuyen los espectrofotómetros a la gestión del color de diversos productos y tecnologías, así que vamos a sumergirnos en ella.

¿Qué es un espectrofotómetro?

Quizá recuerdes de la clase de química que la luz es una forma de radiación electromagnética, como las microondas y los rayos gamma. Cuando hablamos del espectro de la luz, nos referimos a un espectro de energía, en el que diferentes niveles de energía crean lo que percibimos como otros colores. Los colores del arco iris siguen la progresión de la energía visible, siendo el rojo el más bajo y el violeta el más alto. Los materiales que absorben toda la luz visible parecen negros, mientras que los que hacen lo contrario parecen blancos. Entre ambos se encuentran los materiales que emiten determinadas energías luminosas y absorben otras, mostrando colores específicos.

Un espectrofotómetro es esencialmente un contador de luz calibrado.

"Espectro" hace referencia al hecho de que la luz se dispersa en longitudes de onda individuales en el espectro de energía electromagnética. Parte de esa energía se encuentra en el espectro ultravioleta y visible, que los espectrofotómetros pueden leer, mientras que otros espectrómetros pueden medir la radiación infrarroja.

"Fotómetro" mide la intensidad de la luz en longitudes de onda específicas y se escala de 0 a 100. El cero equivale a oscuridad total y el 100 a blanco perfecto. Cero equivale a oscuridad total y 100 a blanco perfecto. Algunas propiedades, como la fluorescencia, hacen posible que esta escala sea superior a 100, por lo que la mayoría de los espectrofotómetros pueden alcanzar 150 o 200.

Los espectrofotómetros se utilizan para medir el color de los materiales. Los materiales pueden ser sólidos, líquidos, opacos, translúcidos o transparentes. Para medir estos materiales se utilizan distintos métodos, en función de su forma y transparencia. Los materiales opacos se miden con espectrofotómetros de reflectancia, que miden la cantidad de luz reflejada por una muestra. En cambio, los materiales transparentes utilizan espectrofotómetros de transmisión, que miden la cantidad de luz que atraviesa el material. Independientemente del método utilizado, todos los espectrofotómetros comparten la misma tecnología básica y el mismo diseño óptico:

• Una fuente de luz controlada para iluminar el material.
• Una lente para colimar la luz hacia el monocromador.
• Un monocromador que separa la luz en sus longitudes de onda de color constituyentes.
• Un selector de longitud de onda.
• Detector que cuantifica la luz emitida por la muestra.
• Una pantalla que ofrece resultados.

¿Cómo funciona un espectrofotómetro?

El proceso comienza con una fuente de luz controlada que ilumina la muestra analizada. En el caso de la reflexión, a medida que esta luz interactúa con la muestra, parte es absorbida o emitida. La luz emitida viaja hasta el detector , que se analiza, cuantifica y presenta como escalas e índices de color estándar en la industria. Las escalas de color más utilizadas son Hunter L,a,b, CIELAB, L,C,h y dE Color Difference. Los organismos rectores de la industria suelen definir métricas específicas para productos concretos, como los índices de tomate y café. La matemática simplificada es la siguiente

Donde R es el coeficiente de reflexión. Todos los términos se evalúan en el espectro visible de 400 a 700 nm.

En el caso de la transmisión, cuando la luz interactúa con la muestra, se absorbe, se refleja o se transmite. La luz transmitida se transforma algorítmicamente en escalas e índices de color relevantes. Algunos ejemplos son APHA (Asociación Americana de Salud Pública) para análisis de acuarela y pureza, ASTM D1500 para análisis de color petroquímico, índices de aceite comestible utilizados en alimentación y análisis de color de bebidas. La matemática simplificada es la siguiente: . . Donde T es el coeficiente de transmisión. Todos los términos se evalúan en el espectro visible de 400 a 700 nm.

El software muestra los resultados del análisis de color como datos espectrales, curvas espectrales o gráficos de color.

Geometría del espectrofotómetro

La geometría de un espectrofotómetro define la disposición de la fuente de luz, el plano de la muestra y el detector. La elección de la geometría correcta depende de la aplicación prevista:

Geometría difusa (esfera)

Utiliza una esfera revestida de blanco para iluminar difusamente la muestra con una visión especular de 8° (d/8°). Un instrumento de esfera difusa puede medir con el especular incluido o excluido.

• Las mediciones de inclusión especular anulan las diferencias de superficie y proporcionan valores correspondientes a los cambios de color.
• Las mediciones especulares excluidas niegan la reflectancia especular en superficies lisas, midiendo únicamente la reflectancia difusa.

Esta geometría es ideal para aplicaciones como la formulación del color de revestimientos, tintas y troqueles aplicados a diversos soportes como textiles, revestimientos de automoción y medios impresos, donde es esencial eliminar los efectos del aspecto de la superficie (textura y brillo) en el color medido y fijarse exclusivamente en los cambios de color.

Geometría direccional

La geometría direccional 45°/0° tiene iluminación en un ángulo de 45° y medición en 0°. La geometría inversa 0°/45° tiene la iluminación a 0° y la medición a 45°. Para la mayoría de las aplicaciones, estas dos geometrías se consideran sinónimas.

Ambos excluyen el reflejo especular en la medición (especular excluido). De este modo se obtienen mediciones que corresponden a cambios visuales en el aspecto de la muestra debidos a cambios en el color del pigmento o en la textura de la superficie y que se ajustan más a la forma en que el ojo humano "ve" el color. Estas geometrías se utilizan mejor para el control de calidad del color al final de la línea.

Espectrofotómetro multiángulo

Este espectrofotómetro observa el color de una muestra desde múltiples ángulos. Mide pigmentos de efectos especiales que cambian de color en función de los ángulos de visión e iluminación, utilizados habitualmente en revestimientos de automóviles y productos cosméticos como el esmalte de uñas.

¿Para qué sirve un espectrofotómetro?

Los espectrofotómetros tienen más usos de los que usted cree. La investigación, el desarrollo de productos, el control de calidad y el diagnóstico pueden beneficiarse de los datos de un espectrofotómetro. He aquí algunos ejemplos concretos de cómo se utilizan estas potentes herramientas:

• Bebidas: El color puede indicar calidad en muchas bebidas, desde refrescos y zumos hasta licores y cerveza, y un color uniforme es fundamental para inspirar confianza a los clientes.
• Farmacéuticos: El color de una pastilla es parte integrante de su identificación. Puede que no afecte a su funcionamiento, pero indica a la gente lo que utiliza. Otros productos farmacéuticos, como los ingredientes líquidos, tienen normas estrictas, algunas de las cuales implican color y transparencia. La espectrofotometría ayuda a garantizar los colores de marca y a identificar los medicamentos falsificados.
• Productos de construcción: Si un contratista construye una casa con piezas de revestimiento vinílico que no coinciden, es probable que el cliente no quede satisfecho con los resultados. Cuando se trata de apariencia, el color es fundamental. Muchos materiales también reflejan los cambios de propiedad en su color. El metal anodizado, por ejemplo, utiliza una capa de óxido natural para aumentar su resistencia y sus propiedades adhesivas. El análisis del color puede confirmar que cada pieza producida refleja estas mejoras.
• Productos químicos: Los productos químicos deben estar limpios, tener un color uniforme y estar libres de contaminantes para garantizar su correcta funcionalidad y que su cliente confíe en ellos. El color es vital para clasificar muchos productos químicos e identificar su composición.
• Alimentación: La producción de alimentos utiliza la espectrofotometría de muchas maneras. Desde la evaluación de la madurez de las frutas hasta la identificación del contraste de cocción adecuado del pan y los bollos, el análisis del color se presta a numerosas aplicaciones alimentarias.

Estos son sólo algunos ejemplos, pero los espectrofotómetros pueden encontrarse en diversas industrias y aplicaciones, incluidos usos ajenos a la producción, como la investigación biológica vital. Otras aplicaciones incluyen el marketing para marcas que deben encontrar los colores más atractivos para su público o mejorar la coherencia de los materiales.

Categorías comunes de espectrofotómetros

Aparte de las mediciones de color, los espectrofotómetros están disponibles en diferentes formas y tamaños para adaptarse a las necesidades de su operación. Algunas categorías comunes de espectrofotómetros incluyen:

Espectrofotómetros de sobremesa

Los espectrofotómetros de sobremesa son ideales para operaciones de laboratorio. La geometría direccional sin contacto ofrece un método de medición único que evita el contacto con sus muestras, reduciendo el tiempo de preparación y limpieza de las mismas. Las opciones de sobremesa proporcionan los más altos niveles de precisión y control.

Espectrofotómetros portátiles

Los espectrofotómetros portátiles pueden medir muestras en cualquier lugar, desde zonas de almacenamiento hasta la planta de producción. Son lo suficientemente robustos como para llevarlos con usted y cómodos de usar siempre que los necesite. Con un software de última generación, los modelos portátiles pueden procesar, supervisar, analizar e informar de los resultados.

Espectrofotómetros en línea

Un espectrofotómetro en línea o en proceso se instala en su proceso para proporcionar datos de medición del color constantes durante toda la producción. A medida que su producto pasa por la producción, los modelos en línea proporcionan datos de color continuos en tiempo real y notifican a los operarios las desviaciones de color que pueden corregirse antes de que se produzca un fallo.

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