Espectrômetros e Espectrofotômetros

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Espectrometria e Espectrofotometria
Espectrometria e Espectrofotometria:
Espectrometria e Espectrofotometria são, 
ambas, técnicas que a maioria dos 
cientistas precisam recorrer em algum 
momento de suas carreiras. Quer para a 
confirmação da identidade de um 
composto, ou para a quantificação de 
uma proteína, a espectrofotometria no 
espectro ultravioleta e no espectro 
visível, tem encontrado rapidamente 
crescente numerosas aplicações em 
campos dentro dos últimos anos.
Entre ambas existe uma sutil diferença 
apenas, no entanto, para entendê-la, 
precisamos verificar que a 
espectrofotometria teve que percorrer um 
longo caminho desde que o Dr. Arnold 
Beckman construiu o primeiro dispositivo original na década de 1940.
A Espectrometria é um método para medir a quantidade de luz que uma substância química absorve 
por meio da medição da intensidade luminosa de um feixe de luz que passa através da solução 
amostra.
O funcionamento consiste no princípio básico de que cada composto químico absorve ou transmite 
a luz ao longo de um determinado intervalo de comprimento de onda. Esta medição pode também 
ser usada para medir a quantidade da concentração de uma substância química conhecida.
Espectrometria é um dos métodos mais úteis de análise quantitativa em diferentes áreas, como 
química, física, bioquímica, engenharia de materiais e química e aplicações clínicas.
Princípios e Aplicações:
Espectrometria é amplamente utilizada para análise quantitativa em várias áreas (por exemplo, 
química, física, biologia, bioquímica, engenharia de materiais e produtos químicos, aplicações 
clínicas, aplicações industriais, etc). Qualquer aplicativo que lida com substâncias químicas ou 
materiais pode usar esta técnica.
Em bioquímica, por exemplo, é usado para determinar reações catalisadas por enzimas. Em 
aplicações clínicas, é utilizado para examinar o sangue ou tecidos para diagnóstico clínico. Há 
também diversas variações de espectrofotometria como espectrofotometria de absorção atômica e 
espectrofotometria de emissão atômica.
Todo composto químico absorve, transmite ou reflete a luz (radiação eletromagnética) dentro de um 
determinado intervalo de comprimento de onda. Espectrofotometria é uma medida de quanto uma 
substância química absorve ou transmite o espectro de luz.
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Um espectrômetro é um instrumento que mede a quantidade de fótons (a intensidade da luz) 
absorvidos de um feixe de luz após ele ter passado através de solução de amostra. Com o 
espectrofotômetro, a quantidade de uma substância química conhecida (concentrações) também 
pode ser determinada pela medição da intensidade de luz detectada. Dependendo da gama de 
comprimento de onda da fonte de luz, que podem ser classificados em dois tipos diferentes:
• Espectrômetro UV - visível: usa a luz na faixa ultravioleta (185 - 400 nm) e faixa do 
visível (400 - 700 nm) do espectro de radiação eletromagnética.
• Espectrômetro IR (infravermelho): usa a luz na faixa do infravermelho (700 - 15000 nm) 
do espectro de radiação eletromagnética.
Em espectrometria visível, a absorção ou a transmissão de uma determinada substância pode ser 
determinada pela cor observada. Por exemplo, uma amostra de solução que absorve a luz sobre 
todas as gamas visível (isto é, transmite nenhum dos comprimentos de onda visíveis) aparece preto 
em teoria.
Por outro lado, se todos os comprimentos de onda visíveis são transmitidos (isto é, absorve nada), a 
amostra solução parece branca.
Se uma amostra de solução absorve a luz vermelha (~ 700nm), parece verde porque o verde é a cor 
complementar do vermelho. Espectrofotômetros visíveis, na prática, usam um prisma para afinar a 
uma certa gama de comprimento de onda (para filtrar outros comprimentos de onda) de modo que 
um feixe de determinado comprimento de luz em particular, é passada através de uma amostra de 
solução.
Dispositivos e Mecanismos do Sistema:
Para produzir os dados referentes as leituras desejadas, várias coisas precisam acontecer no interior 
do espectrômetro. Em primeiro lugar, uma fonte de luz gera luz num comprimento de onda 
específico ou comprimentos de onda. A Figura a seguir ilustra a estrutura básica de um 
espectrômetros. É constituída por uma fonte de luz, um colimador, um monocromador, um seletor 
de comprimento de onda, um tubo de ensaio de solução de amostra, um detector fotoelétrico, e um 
mostrador digital:
Assim, num conceito tradicional (porém não mais atual) um espectrofotômetro, em geral, consiste 
na combinação de dois dispositivos: um espectrômetro e um fotômetro.
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Espectrômetro:
Um espectrômetro é usado em 
espectroscopia para a produção de linhas 
espectrais indicando os seus comprimentos 
de onda. Espectrômetro é um termo que é 
aplicado aos instrumentos que operam sobre 
uma gama muito ampla de comprimentos de 
onda. Em geral, qualquer instrumento em 
particular irá operar sobre uma pequena 
porção deste intervalo total por causa dos 
diferentes técnicas utilizadas para medir 
diferentes porções do espectro.
Produz uma gama desejada de comprimento 
de onda de luz. Primeiro um colimador 
(lente) transmite um feixe reto de luz 
(fótons) que passa por um monocromador (prisma ou grade de difração) para dividi-lo em 
comprimentos de onda componentes diversos (espectro). Em seguida, um seletor de comprimento 
de onda (fenda) permite que seja transmitida apenas os comprimentos de onda desejada, como 
mostrado na figura anterior.
Fotômetro:
Num conceito que atualmente se encontra um tanto quanto ultrapassado, o fotômetro, por sua vez, 
indica, tão somente, detector fotoelétrico que realiza a medição da intensidade da luz.
Com os espectrômetros mais antigos só se podia fazer medições fazendo passar pela amostra do 
composto um comprimento de onda específico de cada vez e o monocromador era acionado 
manualmente, a fim de variar o ângulo de posicionamento do monocromador e mudar, assim, o 
comprimento de onda que incidia sobre a fenda de passagem. Os instrumentistas precisam ter uma 
grande habilidade, além de conhecimentos específicos para determinar as faixas em que as medidas 
deveriam ocorrer.
Após o intervalo desejado de comprimento de onda da luz passar através da solução de uma amostra 
em um tubo de ensaio, o fotômetro detecta a quantidade de fótons que é absorvida e, em seguida, 
envia um sinal para um galvanômetro ou um mostrador digital, tal como foi ilustrado.
É necessário que um espectrômetro produza uma vasta variedade de comprimentos de onda porque 
diferentes compostos absorver melhor a comprimentos de onda diferentes. Todavia, num conceito 
moderno, é ai que entra a diferença entre um espectrômetro e um foto espectrofotômetro: 
Um simples espectrômetro faz a difração da luz branca antes dela passar pela amostra do composto 
e portanto, fará a leitura de simplesmente um único comprimento de onda, utilizando como 
elemento sensor um único fotodiodo. Já, por sua vez, um espectrofotômetro faz a difração da luz 
após ela passar através de uma amostra, permitindo a utilização de um Detector de Arranjo, para ler, 
simultaneamente, a intensidade luminosa transmitida em comprimentos de onda múltiplos.
Quanto a compostos a serem analisados, por exemplo, P-nitrofenol (forma ácida) tem a absorvância 
máxima a aproximadamente 320 nm e P-nitrofenolato (forma básica) melhor absorver a 400nm, 
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Espectrofotômetro E-225D da CELM produto com 
projeto 100% nacional que foi ao mercado em 1989.
como mostrado na figura a seguir:
Olhando para o gráfico que mede absorvânciae comprimento de onda, um ponto de isosbéstico 
também pode ser observado. Um ponto de isosbéstico é o comprimento de onda no qual a 
absorvância de duas ou mais espécies de compostos são as mesmas. O aparecimento de um ponto 
de isosbéstico numa reação demonstra que um intermediário não é necessário para formar um 
produto a partir de um reagente. A figura a seguir mostra um exemplo de um ponto de isosbéstico:
A presença de um ponto de isosbéstico tipicamente indica que apenas duas espécies, que variam em 
concentração contribuem para a absorção em torno do ponto isosbéstico. Se uma terceira espécie 
está participando no processo, os espectros tipicamente se intersectam em diversificados 
comprimentos de onda com a variação de concentrações, criando a impressão de que o ponto de 
isosbéstico está 'fora do foco', ou que vai deslocar as mudanças nas condições. A razão para isto é 
que seria muito improvável para três compostos terem coeficientes de extinção ligados numa 
relação linear para o acaso para um comprimento de onda particular.
Referindo novamente a figura anterior, a quantidade de fótons que passam através do tubo de ensaio 
e seguem para o detector é dependente do diâmetro do tubo de ensaio e da concentração da amostra. 
Uma vez que se conheça a intensidade da luz do feixe após ter passado através do tubo de ensaio, 
pode-se relacionar com a transmitância (T). Transmitância é a fracção da luz que passa através da 
amostra. Isto pode ser calculado usando a equação:
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Onde It é a intensidade da luz após o feixe de luz ter passado através do tubo de ensaio e Io é a 
intensidade da luz antes de o feixe de luz passar através do tubo de ensaio. Transmitância está 
relacionada com a absorção pela expressão:
 
Onde a absorvância representa a quantidade de fótons que é absorvida. Com a quantidade de 
absorvância conhecida a partir da equação acima, é possível determinar a concentração 
desconhecida da amostra usando a Lei de Lambert-Beer. A figura a seguir ilustra a transmitância da 
luz através de uma amostra. O comprimento é utilizado para Lei de Lambert-Beer descrito abaixo.
Lei de Beer-Lambert:
Lei de Lambert-Beer (também conhecida como Lei de Beer) afirma que existe uma relação linear 
entre a absorvância e a concentração de uma amostra. Por esta razão, a Lei de Beer pode ser 
aplicada apenas quando há uma relação linear. Lei de Beer é escrita como:
A=e.l.c
onde A é a medida de absorvância (sem unidades), e é o coeficiente de extinção molar ou 
absortividade molar (ou coeficiente de absorção), l é o comprimento do caminho (diâmetro do tubo 
do tubo de ensaio), e c é a concentração.
O coeficiente de extinção molar é dado como uma constante e varia para cada molécula. Como a 
absorbância é uma grandeza adimensional (não tem unidade de medida), a unidade de e deve 
cancelar as unidades tanto de comprimento, quanto de concentração.
Como resultado, e tem as unidades: L . mol-1 . cm-1
O comprimento do percurso é medida em centímetros e um espectrômetro padrão usa um tubo de 
ensaio que é de 1 cm de diâmetro. Uma vez que A, e, e l são conhecidos, pode-se calcular a 
concentração c da amostra.
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Exemplo de Solução de Aplicação:
(1) Ao longo de todo espectro medido (320 a 1000 nm) a Guanosina tem uma absorvência 
máxima em 275 nm. 275 = 8400 M-1 cm-1 e trajeto do feixe pela solução é de 1 cm. Usando 
um espectrofotômetro, descobre-se que 275= 0.70. Qual é a concentração da guanosina?
Para resolver este problema, precisamos usar a Lei de Beer.
.70 = (8400 M-1 cm-1).(1 cm).(c)
Em seguida, dividimos ambos os lados [(8400 M-1 cm-1)(1 cm)]
 c = 8.33x10-5mols/L
O Espectrofotômetro Moderno:
Os circuitos que comandavam e realizavam as leituras, em equipamento mais antigos, eram todos 
baseados em circuitos integrados (Cis) de eletrônica digital MSI (média escala de integração) e 
costumavam combinar o poder das lógicas de tecnologias TTL e CMOS, além de empregar, 
também, Cis puramente analógicos, contendo amplificadores operacionais. Porém, com os avanços 
da automação e da microeletrônica, uma série de progressos foi possível.
Num primeiro momento, com o emprego dos microprocessadores e inicialmente pelo emprego de 
voice coil e, posteriormente por emprego de pequenos servo posicionadores rotativos e de motores 
de passo, pôde-se automatizar o movimento para posicionamento angular do monocromador. 
Posteriormente, os espectrômetros passariam a ser integrados aos microcomputadores, dando ao 
sistema ainda maior versatilidade. Todavia, devido a questões de tradição do público usuário de tais 
instrumentos, tais inovações ocorreram relativamente tarde, se comparado com equipamentos 
destinados a outras áreas de aplicações e, mesmo hoje, a opção 
de movimento manual do monocromador ainda é mantida.
Atualmente, um Direct Drive Digital é simples e confiável, 
baseado em um motor de passo controlado por 
microprocessador próprio e movendo-se em incrementos de 
comprimento de onda tão pequenos quanto .01 nm por passo, 
estando ligado diretamente ao grating por um arranjo de 
parafuso de roda sem-fim, possibilitando variação de 
posicionamento automático com grande precisão e robustez.
Para ajudar a atender a essa demanda, os fabricantes de instrumentação para UV / Vis (ultravioleta e 
visível) agora fornecem máquinas com um amplo espectro de características e especificações.
Os equipamentos atuais atingem faixa de comprimento de onda compreendidas mais estendidas do 
que aquelas da época em que eu trabalhei no projeto de tais equipamentos, entre 175 - 3300 nm 
atuais, ou seja, cobre todo espectro operacional UV-Vis-NIR (NIR = near infrared), contra uma 
faixa que cobria apenas de 320 – 1000 nm, em 1989.
Tais equipamentos são capazes de realizar medidas com alta precisão em transmitância e 
reflectância e para isso utilizam três diferente detectores: Uma fotomultiplicadora para a região 
UV/Vis, um detector InGaAs (para a faixa de 1370 – 1600 nm) e um detector resfriado PbS (que 
permite a extensão até acima de 3000 nm). Com estas características, o espectrofotômetros atuais 
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podem atender uma grande variedade de aplicações, pois cobre toda a faixa que vai de 175 até 
3300nm.
Uma das grandes vantagens deste sistema é que ele permite que o equipamento apresente grande 
sensibilidade mesmo nas regiões do espectro que ficam nos limites de cada detector, isso ocorre 
graças à utilização do detector InGaAs. 
A Fonte de Luz dos Espectrofotômetros:
Comumente, espectrofotômetros UV / Vis utilizar duas fontes de luz: lâmpada de arco de um 
deutério para a intensidade consistente na gama de UV (190 a 380 nm) e uma lâmpada halogena de 
tungstênio para a intensidade consistente no espectro visível (380 a cerca de 800 nm). 
Alguns espectrofotômetros usam lâmpadas flash de Xênon, que oferecem boas intensidades sobre 
as regiões UV e visíveis.
Lâmpadas de Deutério:
Cedo ou tarde, todas as lâmpada de deutério chegam ao fim da sua 
vida útil e muitos fabricantes de instrumentos exigir preços 
extremamente altos de seus usuários para lâmpadas de reposição. No 
entanto, muito poucas destas empresas produzem lâmpadas de 
deutério, geralmente adquirindo de terceiros fabricantes conhecidos, 
tais como Heraeus Noblelight ou Hamamatsu.
As lâmpadas de deutério emitem um espectro quase contínuo de luz 
que vão desde os comprimentos de onda UV principais de 160 - 400 
nm para a gama espectral visível (800 nm). Isso os torna a fonte de 
luz ideal para 
medições de alta 
precisão de absorção, 
por exemplo, em 
HPLC. Heraeus Noblelight oferece uma amplagama 
de lâmpadas de deutério: lâmpadas com uma vida útil 
garantida de 1000 ou 2000 horas, com bulbo de 
quartzo ou de vidro UV, alta intensidade de brilho, até 
lampadas especiais de comprimento de onda muito 
curtos (lâmpadas UV de vácuo) ou intensidades 
especialmente elevadas, com as seguintes 
especificações técnicas:
Lâmpada tipo DX DS DO-e (UV-vidro)
Max. ruído (AU) 2x10-5 2x10-5 2x10-4
Vida garantida (h) 2000 1000 1000
Faixa espectral (nm) 185-600 185-600 200-600
Abertura diâmetro (mm) 0.5/1.0 0.5/1.0 0.5/0.75/1.0
Garantia(hs) 2000 1000 1000
A esperança de vida típico é definida como as horas em que a intensidade da lâmpada cai para 50% 
do seu valor original a 280 nm.
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Lâmpada de Halogena de Tungstênio:
Uma lâmpada halogena, também 
conhecida como lâmpada de halogena 
de tungstênio ou lâmpadas de quartzo de 
iodo, é uma lâmpada incandescente que 
tem uma pequena quantidade de um 
halogênio tal como iodo ou bromo 
agregado. A combinação do gás de 
halogêneo e do filamento de tungstênio 
produz um ciclo de reação química do 
halogênio que redeposita tungstênio 
evaporado para de volta sobre o 
filamento, aumentando a sua vida e mantendo a transparência do bulbo. Devido a isso, uma 
lâmpada de halogêneo pode ser operada a uma temperatura bem mais elevada do que uma lâmpada 
de gás padrão de potência e vida operacional semelhantes, a produção de luz de uma maior eficácia 
luminosa e a temperatura de cor. A pequena dimensão das lâmpadas de halogêneo permite o seu uso 
em sistemas ópticos compactos, sendo hoje bem comum a sua aplicação também em projetores 
multimídia e mesmo em iluminação especial de ambiente.
Faróis de halogêneo são usadas em muitos 
automóveis. Projetores de halogêneo para 
sistemas de iluminação ao ar livre, bem como 
para embarcações também são fabricados para 
uso comercial e de lazer. Eles estão agora 
também utilizado em lâmpadas de mesa. 
Além disso, há a importante aplicação da 
lâmpada tungstênio halogênio como fonte de 
luz na faixa do espectro infravermelha em 
espectroscopia no infravermelho.
As lâmpadas de halogêneo de tungstênio consistem de um bulbo envelope de quartzo, um filamento 
de tungstênio e são cheias com uma mistura de gás de halogênio específico de acordo com a sua 
aplicação final.
O bulbo envelope das lâmpadas halogenas de tungstênio consistem em um envelope de vidro de 
quartzo selado. As dimensões do 
envelope são especificado dependendo 
do tipo de filamento escolhido.
Os filamentos são feitos a partir e 
arame de tungstênio AKS dopado de 
alta pureza, especialmente fabricados 
ou selecionados para resistência 
halogena de grau de fluência. Eles 
podem ter configurações de formato 
axial, transversal ou grade. Muita 
atenção é dada ao tamanho físico do 
fio e da sua altura e um espaçamento 
que este determina as propriedades 
eléctricas e ópticas.
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As misturas típicas do gás de preenchimento são de árgon / halogêneo, árgon / hidrogênio / 
halogêneo, crípton / halogênio ou xênon / halogênio, alojados sob pressões entre 2 e 10 bar. Como o 
desempenho da lâmpada depende da composição e consistência das misturas de gases, estes são 
acompanhados de perto em uma base de lote,m na fabricação.
Lâmpadas Flash de Xênon de Arco Curto:
Lâmpadas Xênon de arco curto são fontes de luz pontuais que fornecem alta luminosidade e 
temperatura de cor. Eles emitem um espectro contínuo de luz, que vão desde ultravioleta através 
visível para infravermelhos. Uma fonte de luz de ponto altamente iluminante com espectros 
contínuo, o mais próximo de todas as fontes de luz artificial à luz solar. As lâmpadas estão sendo 
utilizados para estágios de iluminação, estúdios e projeção de vídeo onde a luz natural é necessária, 
bem como em dispositivos ópticos e de aquecimento.
Lâmpadas flash Xênon possuem uma 
construção mais compacta e menor 
acumulação de calor do que as lâmpadas de 
modo contínuo. As lâmpadas Xênon Flash 
são especialmente aplicáveis em fotometria 
de precisão, devido às suas características 
como estabilidade do arco 5 vezes maior e 
vida útil 10 vezes maior do que os de 
lâmpadas convencionais, obtida com a 
construção do eletrodo materiais melhorados.
Lampadas convencionais de xenônio curto 
arco são fontes de luz inadequadas para fotometria de precisão, uma vez que suas emissões de luz 
são instáveis devido à mudança de posicionamento do ponto de arco e flutuação. Resolver os 
problemas de transferência de arco ponto e de flutuação é essencial, a fim de utilizar lâmpadas 
xênon de arco curto em aplicações fotométricos.
Lâmpadas xenônio podem ter 
completamente resolvido esses 
problemas usando um cátodo 
altamente durável que proporciona 
maior estabilidade ao ponto de arco. 
Este catodo exibe praticamente 
nenhuma mudança e flutuação mínima 
variação do ponto de arco ao longo da 
vida útil da lâmpada. Estas lâmpadas 
são ideais para uso em colorimetria, microscopia, diagnóstico in-vitro e instrumentos analíticos.
Fotodiodo de Silício:
Fotodiodos de silício são sensores de luz semicondutores que geram uma corrente ou tensão. 
Quando a junção PN no semicondutor é iluminado por luz Estes dispositivos apresentam excelente 
linearidade com respeito à luz incidente, o ruído interno baixo, e uma resposta de largura espectral. 
Eles têm uma vida longa, e eles são mecanicamente resistente, compacto e leve.
Fotodiodos podem ser classificados por função e por construção como apresentado a seguir:
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Fotodiodos de silício: Com alta sensibilidade 
e baixa corrente de escuro, estes fotodiodos 
são projetados especificamente para 
fotometria de precisão em uma ampla gama 
de campos;
Fotodiodos PIN: Esses fotodiodos entregam 
uma grande largura de banda com um viés de 
baixa, tornando-os ideais para fotometria de 
alta velocidade, bem como comunicações 
ópticas;
Fotodiodo de Silício com amplificador / Cooler: Fotodiodos de Si incorporando num mesmo 
encapsulamento um chips pré-amplificador de baixo ruído no mesmo pacote;
Arranjo de Fotodiodos de Silício: Arranjos (matrizes) de fotodiodo de silício consiste de vários 
elementos de fotodiodo, formados em um arranjo linear ou matriz em um único pacote;
APD (fotodíodo avalanche): Um silício avalanche fotodíodo (Si APD) tem um mecanismo de 
ganho interno, tempo de resposta rápido, e alta sensibilidade no UV a região do infravermelho 
próximo;
Fotodiodos de Raio X: Eles são utilizados para a radiação ionizante e detecção de partículas de alta 
energia.
Fotodiodos de silício podem ser combinados ou monoliticamente ou como híbridos com 
processamento de sinais para criar poderosos Cis foto sensores ou receptores ópticos de 
comunicação e transmissores. Para saber mais sobre eles, incluindo exemplos de circuitos, vamos 
fazer um breve estudo.
A figura a seguir mostra um exemplo secção transversal de um fotodiodo de Si. A região do tipo P 
com a superfície fotossensível e da região tipo N com a forma de substrato uma junção PN que 
opera como um conversor de fotoelétrica. 
O camada P usual para um 
fotodiodo de Si é formado por 
difusão seletiva de boro. a uma 
espessura de aprox. 1µm ou 
menos, e na região neutra na 
junção entre a camada P e a 
camada N é conhecida como a 
região de depleção. Controlando 
a espessura das camadas P, N e 
N+, bem como da concentração 
do dopante, a resposta espectral 
e resposta de frequência pode ser 
controlada.
Quando um fotodiodo de Si é iluminado por uma luz e se a energia luminosaé superior à 
energia da banda, os elétrons da banda de valência são excitados de modo a se transferirem para a 
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banda de condução, deixando lacunas em seu lugar na banda de valência:
Estes pares de elétrons - 
lacuna trafegam através do 
material da camada P, da zona 
de depleção e da camada N. 
Na zona de depleção, o campo 
elétrico acelera os elétrons no 
sentido da a camada N, bem 
como acelera as lacunas no 
sentido da camada P.
Dos pares de elétrons – 
lacunas gerados na camada N, 
os elétrons, juntamente com os elétrons que chegaram a partir da camada de P, são deixadas na 
banda de condução da camada N. As lacunas, neste momento, estão a ser difundidas através da 
camada N para a camada de depleção onde são aceleradas e recolhidas na banda de valência da 
camada P. 
Desta maneira, pares elétron - lacunas, que são gerados em proporção à quantidade de luz incidente, 
são recolhidos, respectivamente, na camada N e na camada P. Isto resulta em uma carga positiva na 
camada P e uma carga negativa na camada N. Quando um eletrodo é formado a partir de cada uma 
das camadas P e N e está ligado a um circuito externo, os elétrons fluirão para fora da camada N e 
as lacunas fluirão para fora da camada P para os polos opostos respectivos da fonte, gerando uma 
corrente. Esses elétrons e lacunas, gerando um fluxo de corrente em um semicondutor são 
chamados portadores.
Características Tensão X Corrente:
Quando uma voltagem é aplicada a um fotodiodo de Si que se encontra em um estado escuro, a 
característica de corrente versus tensão observada é semelhante - para a curva de um díodo 
retificador convencional, como mostrado por 1 na figura a seguir:
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No entanto, quando a luz atinge o fotodiodo, a curva 1 desloca-se para curva 2 e aumentando o 
nível de luz incidente desloca esta curva característica ainda mais para a posição 3. Como 
características de 2 e 3, se os terminais do fotodíodo são curto circuitados, uma corrente de curto-
circuito ISC ou ISC', proporcional ao nível de luz, vai fluir a partir do ânodo para o cátodo. Se o 
circuito estiver aberto, uma tensão de circuito aberto VOC ou VOC' será gerada com a polaridade 
positiva no ânodo. VOC varia de modo logarítmico com mudanças no nível de luz, todavia, VOC 
varia muito com a temperatura, tornando-o inadequado como referência para medição do nível de 
luz. As figura a seguir mostra uma relação típica entre ISC e o nível de luz incidente e também entre 
VOC e nível de luz incidente.
Figura ao lado mostra os métodos 
básicos de medição de uma 
fotocorrente. No circuito representado 
em (a). A tensão (IO x RL) é amplificada 
por um amplificador de ganho com 0.
Uma maior linearidade é mantida 
através da aplicação de uma tensão 
inversa para o fotodiodo [ver também 
figura da pag. 13]. O circuito mostrado 
em (b) utiliza um amplificador 
operacional para se conectar ao 
fotodiodo. Se deixar o ganho de malha 
aberta do amplificador operacional ser 
A, o circuito de realimentação negativa 
permite a resistência de entrada 
equivalente (equivalente a resistência de 
carga RL), a ser Rf / A, que é várias 
ordens de grandeza menor do que Ri. 
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Sinal de saída (corrente de curto circuito) 
versus variação da luz incidente
Sinal de saída (Tensão anodo catodo em 
aberto) versus variação da luz incidente
Assim, este circuito permite medições ideais da corrente de curto-circuito. Quando for necessário 
medir a fotocorrente sobre uma vasta gama, os valores adequados de RL e Rf devem ser 
selecionados para evitar a saturação de saída, mesmo quando o nível de luz incidente é elevada.
A figura a seguir é uma vista ampliada da região em torno do zero da curva característica (i) 
mostrado na página 10. Isto prova que a mudança na corrente de escuro pelo fotodiodo (ID) é 
aproximadamente linear em uma gama de tensão de cerca de ± 10 mV. O declive nesta linha recta 
indica a resistência de derivação (RSH). Esta resistência é a causa da corrente de ruído térmico que 
será descrito mais tarde. Para fotodiodos Si, os valores de resistência de derivação são obtidos 
usando uma corrente escura medido com -10 mV aplicada.
Fotodiodos de Si geram uma potência devido ao efeito fotovoltaico, de modo que eles podem operar 
sem a necessidade de uma fonte de energia externa. A fotocorrente é extremamente linear com 
respeito ao nível de luz incidente. Quando a luz incidente está dentro do intervalo de 10 -12 a 10-2 W a 
gama possível de linearidade é maior do que nove ordens de grandeza (dependendo do tipo de 
fotodiodo e seu circuito operacional, etc). O limite inferior desta linearidade é determinada pela 
energia sonora equivalente (NEP), enquanto que o limite superior depende da resistência de carga, a 
tensão reversa, etc. Potência de ruído equivalente (NEP) é uma medida da sensibilidade de um 
sistema fotodetector ou detector. É definida como a potência do sinal que dá uma relação sinal - 
ruído de largura de banda de saída de um em um hertz. Uma largura de banda de saída de um hertz 
é equivalente a um tempo de integração de meio segundo. As unidades de NEP são watts por hertz 
raiz quadrada.
Em alguns casos, a aplicação de uma tensão inversa é eficaz no aumento do limite superior da 
linearidade. A figura a seguir mostra dois exemplos de ligação para a aplicação de uma tensão 
inversa. Já, a figura que vem depois mostra como se altera o limite superior de linearidade com uma 
variação da tensão inversa (VR).
Embora a aplicação de uma tensão inversa de um fotodíodo seja útil para melhorar a linearidade, 
também aumenta a corrente de escuro e os níveis de ruído. Uma vez que uma tensão inversa 
excessiva pode danificar o fotodíodo, deve-se usar uma tensão inversa que não vai exceder o índice 
máximo absoluto, e certificar-se que o cátodo é mantido a um potencial positivo no que diz respeito 
ao ânodo. Quando a luz laser é condensada sobre uma pequeno foco, é necessário cuidado porque a 
quantidade de luz aumenta por unidade de área e linearidade se deteriora.
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Conforme explicado no princípio da operação, quando a energia da luz absorvida é menor do que a 
energia da banda de fotodiodos de Si, o efeito fotovoltaico não ocorre. O comprimento de onda de 
corte (λc) pode ser expressa pela equação:
No caso de Si, à temperatura ambiente, a energia da banda é 1.12 eV (elétron Volt), de modo que o 
comprimento de onda de corte é de 1100 nm. Para comprimentos de onda curtos, no entanto, o grau 
de absorção de luz no interior da camada de difusão de superfície torna-se muito grande (ver gráfico 
do resposta espectral). Portanto, quanto mais fina for a camada de difusão, mais próximo da 
André Luis Lenz 03/2011 14
superfície será a junção PN e, consequentemente, maior será a sensibilidade.
Para fotodiodos normais de SI, o comprimento de onda de corte do lado do comprimento curto de 
ondas é de 320 nm, enquanto que é de 190 nm para fotodiodos melhorados UV-Si (S1226/S1336 
série, etc.) O comprimento de onda de corte é determinada pelas propriedades intrínsecas dos 
materiais dos fotodíodos Si, mas é também afetada pela transmitância espectral da luz de entrada do 
material de janela.
Para os casos de vidro de Borosilicato e de revestimento de resina plástica, comprimentos de onda 
abaixo de aprox. 300 nm são absorvidos. Se estes materiais são usados como janela, a sensibilidade 
de curtos comprimentos de onda será perdida. Para se detectar comprimentos de onda menores do 
que 300 nm, fotodiodos de Si, com janelas de quartzo devem ser utilizados.
As medições limitada à região da luz visível usar um filtro de compensação visual sensívelque 
permite que apenas a luz visível passe através dele. A figura presentada mostra respostas espectrais 
para vários tipos de fotodiodos de silício. O tipo de BQ utiliza uma janela de quartzo, o tipo de BK 
uma janela de vidro de borossilicato, e o tipo BR uma janela de resina revestido. O S9219 é um 
fotodiodo de Si com um filtro de compensação visual sensível.
No um dado comprimento de onda, o número de elétrons ou lacunas que podem ser extraídos como 
fotocorrente dividido pelo número de fótons incidentes é chamado a eficiência quântica (QE). A 
eficiência quântica é dada pela equação:
onde: S: foto sensibilidade (A / W);
λ: comprimento de onda [nm]
Conexão com um amplificador operacional:
A figura ao lado mostra um exemplo de conexão básica de um amplificador operacional e um 
fotodiodo de silício. No região de operação de DC até de baixa frequência, a tensão de saída Vout é 
de 180 graus defasada em relação a corrente de entrada (fotodíodo curto circuito Isc) e é dada por:
 Vout = -Isc . Rf
A resistência de realimentação 
Rf é determinada por quanto as 
necessidades de entrada de 
corrente para ser multiplicada. 
Se, no entanto, a resistência de 
realimentação é feita maior do 
que a resistência Rsh paralela 
ao fotodíodo, o ruído de tensão 
equivalente de entrada do 
amplificador operacional (en) e 
tensão de offset de entrada será 
multiplicado por "1 + Rf / Rsh" 
e, em seguida, sobreposto sobre 
a saída de tensão Vout . 
André Luis Lenz 03/2011 15
Além disso, o erro da corrente de polarização do amplificador operacional (descrito a seguir) 
também irá aumentar, tornando assim não prático usar uma resistência de realimentação 
infinitamente grande. Se houver uma capacitância de entrada Ct, a capacitância de realimentação 
Cf, impede o funcionamento instável do circuito em regiões de alta frequência.
A capacitância de realimentação e a resistência de realimentação também formam um filtro passa-
baixo com uma constante de tempo definida por Cf x Rf, de modo que seus valores devem ser 
escolhidos de acordo com a aplicação. Quando é desejado para integrar a quantidade de luz 
incidente em aplicações tais como detecção de radiação, Rf deve ser removido de modo a que o 
amplificador operacional e conjunto com Cf, atuam como um circuito de integração. No entanto, 
uma opção é necessária para descarregar o capacitor Cf, a fim de detectar sinais contínuos.
Corrente de Polarização:
Uma vez que a impedância de entrada efetiva de um amplificador operacional não é infinito, 
alguma corrente de polarização irá fluir para dentro ou para fora dos terminais de entrada. Isto pode 
resultar em erro. dependendo da magnitude da corrente detectada. A corrente de polarização que flui 
pela entrada de um Amp. Op. com entrada a FET é às vezes inferior a 0,1 pA. No entanto, com o 
emprego de Amp. Op. com entrada a transistor bipolar, no entanto, ocorrem correntes de 
polarização que variam a partir de várias centenas de pico amperes até a várias centenas de nano 
amperes.
A corrente de polarização de um Amp. Op de entrada FET geralmente aumenta duas vezes para 
cada aumento de 10 ° C na temperatura, enquanto que no Amp. Op. bipolar diminui com o aumento 
da temperatura. Em alguns casos, a utilização de um Amp. Op. bipolar deve ser considerado quando 
se conceber circuitos de alta temperatura de operação.
Como é o caso com a tensão offset, a tensão de erro atribuível à corrente de polarização pode ser 
ajustada por meio de uma resistência variável ligada aos terminais de ajuste de offset. As correntes 
de fuga na placa de circuito impresso usado para configurar o circuito pode ser maior do que a 
corrente de polarização do amplificador operacional. Para além de selecionar o amplificador 
operacional ótimo, deve-se considerar o desenho dos padrão do circuito e a disposição das partes, 
bem como a utilização de guarda anéis e os terminais de Teflon.
Circuitos de Exemplos de Aplicação:
Circuitos de detecção de luz de baixa intensidade exigem medidas para reduzir o ruído 
eletromagnético na área circundante. Ruído AC da fonte de alimentação e ruído interno Amp. Op. 
André Luis Lenz 03/2011 16
etc as figuras a seguir mostram medidas sonoras para reduzir o ruído eletromagnético na área 
circundante:
Extrair o sinal do fotodíodo a partir do terminal do cátodo é outro meio eficaz. Uma contra medida 
eficaz contra o ruido de AC da fonte de alimentação é a inserção de um filtro RC (ou um filtro LC) 
na linha de alimentação. Usando uma pilha seca como a fonte de alimentação também se revela 
eficaz contra o ruído de alimentação.
O ruído do Amp. Op. pode ser reduzido selecionando um amplificador operacional com um ruido 
1/f baixo e uma baixa corrente de ruído equivalente de entrada. Além disso, ruídos de alta 
frequência podem ser reduzidos pelo uso de um capacitor de realimentação (Cf) para limitar a 
largura de banda de frequência do circuito para combinar com a largura de banda de frequência de 
sinal. Erros de saída (devido à corrente de polarização de entrada do Amp. Op. e a compensação de 
tensão de entrada, roteamento da fiação do circuito, corrente de fuga da superfície da placa de 
circuito, etc) deve ser reduzida ao lado.
André Luis Lenz 03/2011 17
Selecione um Amp. Op. com entrada FET ou um Amp. Op. C-MOS com um baixo nível de ruído 
1/f, pois ambas permitem correntes de polarização de entrada com valores abaixo de algumas 
centenas de femtoamperes (fA). Além disso, será eficaz utilizar um amplificador operacional que 
fornece deslocamentos de tensões de entrada abaixo de vários milivolts e que tenha um terminal de 
ajuste de offset. Também usar uma placa de circuito feita a partir de materiais com resistência de 
isolamento elevada.
Como contra medidas contra fugas de corrente a partir da superfície da placa de circuito. tente usar 
um padrão de guarda ou fiação aérea com terminais de teflon para a fiação do fotodiodo aos 
terminais de entrada do Amp. Op. e também para o resistor de realimentação e o capacitor de 
realimentação à fiação de entrada.
Conversão Logarítmica de Intensidade de Luz para Tensão:
A tensão de saída deste circuito de conversão é proporcional à variação logarítmica no nível de luz 
detectada. O diodo de função logarítmica D para a conversão deve ter resistência em série baixa e 
corrente de fuga baixa. A junção 
de base emissor (BE) de um 
transistor de pequenos sinais ou 
a porta-fonte (GS) de junção de 
uma junção FET pode também 
ser utilizado como o diodo de 
log.
IB é a fonte de corrente que 
fornece corrente de polarização 
para o díodo D log e define o 
ponto de operação do circuito. A 
menos que esta corrente IB seja 
fornecido, o circuito irá trancar-
se quando a corrente de curto-
circuito do fotodiodo ISC torna-
se zero.
Circuito de Integração Quantidade de Luz:
Este circuito de integração de quantidade de luz utiliza um circuito de integração constituído por um 
fotodíodo e um amplificador operacional. Isto é usado para medir a quantidade de luz integrada ou 
quantidade média de um trem de impulsos de luz com de ciclos, altura e larguras de pulso 
irregulares.
O integrador acumula corrente de curto circuito ISC gerado por cada pulso de luz no capacitor de 
integração C. Ao medir a tensão de saída VO imediatamente antes do reset. Acorrente de curto 
circuito média pode ser obtida a partir do tempo de integração (T0, na figura a seguir) e do valor 
conhecido da capacitância C. Um capacitor do tipo de baixa absorção dielétrica deverá ser utilizado 
como capacitância C para eliminar erros de reinicialização. O interruptor SW é um interruptor de C-
MOS analógico (chave bilateral).
André Luis Lenz 03/2011 18Grade de Difração (Grating):
Superfície metálica polida (geralmente um espelho metálico em um bloco de vidro ou quartzo) ou 
uma superfície de plástico sobre a qual tem sido ordenado um grande número (em milhares) de 
linhas finas e paralelas, com pequenos intervalos entre eles, utilizados para dividir a luz para 
produzir um espectro .
Um feixe de luz branca que viaja através das aberturas estreitas de uma rede de difração irá 
espalhar-se e ser dividido em comprimentos de onda dos constituintes da luz branca. Isto é 
conhecido como difração. A luz branca que passa através de uma rede de difração será dividida em 
o espectro de cores (visivelmente, a partir do vermelho para azul) da qual a luz é composta. A luz é 
dividida porque cada um dos seus comprimentos de onda constituintes (as cores) é difratada por 
uma quantidade diferente. A luz vermelha, tendo um comprimento de onda, é difratada mais que a 
luz azul, tendo um comprimento de onda menor. Algumas redes de difração pode ter de 2.000 a 
7.000 linhas por polegada.
Quando começamos a aprender sobre luz, descobrimos o fato de que a luz branca pode ser dividida, 
ou dispersa em um espectro de cores. Para dispersar a luz em seu espectro Isaac Newton usou um 
prisma. No entanto, em anos recentes, as ¨redes de difração¨ substituíram os prismas para esta 
finalidade, porque elas são mais fáceis, mais eficazes e menos dispendiosas.
As redes de difração não são novidades, elas tem sido a base dos instrumentos de espectroscopia 
por longo tempo, mas esses instrumentos não são necessários para muitos fins de aprendizagem. 
Nós podemos ver espectros, de modo emocionante e detalhado, simplesmente segurando uma grade 
de difração próxima ao seu olho e procurando por ele em uma fonte de luz em um lugar escuro. Por 
fim, surge a pergunta: "Como funciona uma rede de difração? Não é fácil oferecer uma resposta a 
esta pergunta que não recebe matemática, de uma forma satisfatória, mas a tentativas é válida.
André Luis Lenz 03/2011 19
Ondas de luz são semelhantes às ondas de água em 
muitos aspectos. vamos começar com a situação familiar 
de ondulações produzidas na água devido a uma pedra 
caindo. A figura mostra como a sua propagação pode ser 
compreendida considerando cada ponto ao longo de uma 
onda ou uma frente de onda, como sendo a fonte de uma 
nova onda e cada fonte de tendo a mesma fase.
Agora vamos aplicar esse modelo a uma 
onda que encontra um obstáculo, como 
uma única fenda estreita. A figura ao lado 
mostra como a onda se espalha. A 
diferença entre picos sucessivos ou vales 
é chamado o comprimento de onda, λ.
Vamos agora aumentar o número de fendas estreitas, igualmente espaçados, como mostrado a figura 
ao lado. Isto é chamado uma rede de difração.
Quando uma onda de luz 
encontra uma rede de 
difração, a luz se propaga 
como se originado a partir de 
fontes pontuais diversas, cada 
uma em fase com a outra.
Tal como mostrado na figura 
anterior, cada onda estende-se 
em um círculo, mas agora 
existem centros em cada fenda, como 
mostrado. Se um pico de onda se encontra 
com um vale de onda, o resultado não é 
nem de pico, nem vale, mas sim o de 
cancelamento.
No entanto, feito pico de onda se encontra 
com outro pico de onda, eles se somam 
construtivamente, fazendo uma onda com 
o dobro da amplitude.
Há direções especiais em que o 
cancelamento é evitado e a onda permite 
adicionar de forma mais construtiva. Uma 
tal orientação é indicado na figura ao 
lado.
André Luis Lenz 03/2011 20
Essa direção é diferente para diferentes cores, porque cada cor diferente tem um diferente 
comprimentos de onda.
Por exemplo, uma vez que o comprimento de onda de luz vermelha é maior que o comprimento de 
onda da luz azul, um feixe de vermelho é difratada ou dobrado mais do que um feixe de azul 
quando ela passa através da rede de difração, ou seja, a luz vermelha se curva mais do que a luz 
azul:
Isto é como uma grade de difração (grating) dispersa as cores da luz branca. A luz branca tem 
muitas cores. Entre o vermelho e o azul estão as outras cores, como laranja, amarelo e verde, cujos 
comprimentos de onda são de valor intermediários, entre os da luz vermelha e azul.
Colocando tudo isso junto, 
podemos ver como través de luz 
branca, que contém todas as cores, 
fica dobrado, ou difratada em um 
espectro de cores.
Uma vez que somente em 
determinadas direções que as 
ondas de luz de cada fenda grade 
se adicionam de forma construtiva, 
por exemplo, picos coincidindo em 
picos e vales coincidindo em vales, 
a fim de determinar as direções 
onde as ondas de luz adicionar 
construtiva, temos de introduzir alguns símbolos e usar alguma trigonometria.
Fazendo referência à figura a seguir, assumamos que:
• θ representa a direção de um feixe difratado;
• k comprimento de onda da luz;
• d a separação entre as fendas (algumas vezes chamado a constante da grade).
Estes estão relacionados pela expressão:
d . sin θ1 = 1λ → (primeira ordem)
André Luis Lenz 03/2011 21
A figura mostra como é possível ter mais do que uma ordem de difração. Por exemplo, pode haver 
muitas direções, onde as ondas de luz se adicionar de forma construtiva. A figura retrata a situação 
de segunda ordem. Vemos que:
d . sin θ2 = 2λ → (segunda ordem)
Em geral, para cada cor λ, existem muitas direções de somas construtivas:
d . sin θn = nλ → (enésima ordem)
ou, mais simplesmente:
sin θ = nλ
Relação entre a direção de um feixe 
difratado θ1, o comprimento de 
onda λ e o espaçamento entre as 
fendas d, de modo que d . sin θ1 = 1λ
 
Direções nas quais 
cancelamentos são evitados: 
esquerda para direita, o zero, 
primeira e segunda ordens.
Para a segunda ordem, a relação 
entre a direção do feixe θ2 o 
comprimento de onda λ e o 
espaçamento entre as fendas d, de 
modo que d . sin θ2 = 2λ 
Redes de difração são usados 
frequentemente em 
monocromadores, espectrômetros, 
lasers, dispositivos de 
multiplexação e divisão de 
comprimentos de onda, dispositivos 
ópticos para compressão de pulso, e 
André Luis Lenz 03/2011 22
muitos outros instrumentos ópticos.
Ao longo do século XX os avanços das técnicas da fotolitografia permitiram a fabricação de grades 
de difração em escala, produzidas a partir de um padrão de interferência holográfica.
Grades holográficas têm ranhuras sinusoidais e pode não ser tão eficiente quanto grades de linha, 
mas são muitas vezes preferido em monocromadores porque levam a luz muito menos perdida. A 
técnica permite a cópia de réplicas de alta qualidade para ser feita a partir de grades mestres de 
qualquer tipo, diminuindo assim os custos de fabricação.
Outro método para fabricação de redes de difração usa um gel fotossensível ensanduichado entre 
dois substratos. Um padrão de interferência holográfica expõe o gel que é posteriormente 
desenvolvida. Estas grades, chamadas de grades de difração VPH, não têm ranhuras físicas, mas 
sim, uma modulação periódica do índice de refração dentro do gel. Isto remove a maior parte dos 
efeitos espalhamento de superfície, tipicamente vistas em outros tipos de grades. Estas grades 
também tendem a ter uma maior eficiência, e permitir a inclusão de padrões complicados em uma 
grade única.
Qual é a diferença entre um Espectrofotômetro UV e um espectrômetro de UV?
Um Espectrômetro de UV é um dispositivo óptico utilizado para determinar as propriedades 
diferentes de luz para uma porção particular do espectro electromagnético de radiação de energia. 
Mantendo o comprimento de onda da luz como uma variável independente e outras propriedades 
significativas de materiais sãomedidos por um espectrômetro de UV. Geralmente um tipo especial 
de prisma (grating) é utilizado para servir aos propósitos do espectrômetro UV que permite que 
linhas espectrais da luz emitida a partir de uma fonte individual possa ser vista a olho nus.
Espectrofotômetro UV
Por outro lado um Espectrofotômetro de UV é dispositivo eletrônico muito mais complicado e 
sofisticado usado para determinar transições elétrica e as propriedades de espectro 
electromagnéticos de diferentes materiais na região do ultravioleta (UV). Ao calcular estes, um 
Espectrofotômetro de UV, em última análise calcula as propriedades diferentes de materiais, tais 
como a cor, a concentração, composição, capacidade de absorção, etc.
Matriz Detector Espectrofotômetro:
Matriz de detectores de 
espectrofotômetros (Matriz de 
fotodiodos) permitem a gravação rápida 
de espectros de absorção.
Fazendo-se a difração da luz após ela 
passar através de uma amostra, permite a 
utilização de um Detector de Arranjo de 
gravar, simultaneamente, a intensidade 
luminosa transmitida em comprimentos 
de onda múltiplos.
Há um grande número de aplicações em que os espectros de absorvância deve ser gravados muito 
André Luis Lenz 03/2011 23
rapidamente. Alguns exemplos incluem a detecção de HPLC (cromatografia líquida alto 
desempenho ), processo de acompanhamento e medição de velocidade da reação.
Cromatografia líquida de alto desempenho (HPLC) é uma forma de cromatografia líquida de 
compostos separados que são dissolvidos em solução. Instrumentos de HPLC constituída por um 
reservatório de fase móvel, uma bomba, um injector, uma coluna de separação, e um detector. Os 
compostos são separados por injeção de um tampão de a mistura da amostra na coluna. Os 
diferentes componentes da mistura passam através da coluna a taxas diferentes devido a diferenças 
no seu comportamento partição entre a fase líquida móvel e a fase estacionária.
Instrumentação:
Esses espectrômetros usam matrizes fotodíodo (PDAs) ou dispositivos de carga acoplada (CCDs) 
como detector. A gama espectral destes detectores de matriz é tipicamente de 200 a 1000 nm. A 
fonte de luz é uma fonte contínua tal como uma lâmpada de tungstênio. Todos os comprimentos de 
onda passar através da amostra. A luz é dispersada por uma rede de difração (grating), após a 
amostra e os comprimentos de onda separados caem sobre diferentes pixels da matriz do detector. A 
resolução depende da grade, o projeto do espectrômetro e tamanho do pixel, e normalmente é 
fixado para um determinado instrumento. Além de permitir a gravação espectral rápida, estes 
instrumentos são relativamente pequenos e robustos. Espectrômetros portáteis têm sido 
desenvolvidos que usam fibras ópticas para produzir luz para e a partir de uma amostra.
Estes instrumentos utilizam apenas um único feixe de luz, de modo um espectro de referência é 
gravado e armazenado na memória para produzir espectros de transmitância ou absorvância após a 
gravação do espectro da amostra.
Um espectrômetro de UV é usado principalmente para identificar os materiais, fazendo análise 
espectroscópica. É geralmente levada a cabo através da medição da intensidade da luz no seu estado 
normal, mas a análise é também muitas vezes feito no estado de polarização. Por outro lado, um 
Espectrofotômetro UV primeiro mede a comparação de feixe de amostra de luz e de transmissão de 
referência feixe de luz, a fim de desenvolver um espectro de energia electromagnética.
Um espectrofotômetro UV mede o espectro em unidades relativas ou absolutas. É usado 
principalmente para medir as linhas espectrais da luz na região do espectro ultravioleta. Pelo 
contrário um Espectrômetro de UV simples mede o espectro em unidades extensas e usado para 
analisar a luz espectral a olho nu.
Usos de um Espectrofotômetro de UV:
Um espectrofotômetro de UV é amplamente utilizado para fins comerciais na indústria diferente 
para assegurar a produção de qualidade. Apesar de um Espectrofotômetro UV também é encontrada 
em laboratórios científicos e campos bioengenharia médica, mas um Espectrômetro UV é mais 
frequentemente usado nesses domínios, bem como em astronomia e alguns outros campos técnicos 
para a identificação de objetos diferentes.
Características da solução de reflectância, concentração e transmitância, transparência, etc, são 
medidos por um espectrofotômetro de UV. Simplesmente porque é um fotômetro sofisticado usado 
para medir a todas as propriedades significativas de soluções. Mesmo densidade e difusividade pode 
ser calculada por um espectrofotômetro de UV. Por outro lado um Espectrômetro de UV não pode 
ser usado para tais fins gerais.
André Luis Lenz 03/2011 24
Um espectrofotômetro UV utiliza rede de difração, que pode ser fixo ou móvel para a produção de 
um espectro de analítica. Ao utilizar um detector este espectro pode ser analisado passo a passo. 
Essas opções não são encontradas em um Espectrômetro UV.
Um espectrofotômetro de UV pode ser utilizado tanto para linear e esférica análise geométrica 
tendo arranjos complicados. Por outro lado um Espectrômetro de UV pode servir apenas para 
efeitos de análise geométrica linear.
É claro que um Espectrofotômetro UV é superior a um Espectrômetro de UV na área industrial e de 
produção. Na oposição, um Espectrômetro UV é superior a um Espectrofotômetro UV na análise 
científica e técnica.
Através das informações acima, esperamos ter deixado claro as principais diferenças entre um 
espectrofotômetro de UV e um espectrômetro de UV tanto em funcionamento e aplicação. Então, se 
você tem que fazer análise espectroscópica, o usuário deve fazer a decisão correta que o 
equipamento é adequado para servir a seus propósitos, seja um Espectrômetro UV ou um 
Espectrofotômetro UV.
Mas é interessante saber, ainda, que alguns equipamentos podem operar em múltiplos modos de 
aquisição de dados: Espectro, Cinético e Fotométrico. Outros permitem ainda a multi função 
(multi tarefa), com execução de processamento de dados enquanto outra medida é executada. 
Alguns outros aspectos e atributos que podem considerados interessantes são:
• Acordo com as normas GMP/GLP;
• Comparação de múltiplos espectros;
• Normalização, Point Peak, detecção de pico/ vale e cálculo de área;
• Medidas em único ou múltiplos comprimentos, quantificação de espectros;
• Processamento fotométrico com os parâmetros definidos pelo usuário;
• Gerador de relatórios customizável;
• Armazenamento de eventos como adição de reagentes durante uma medida, etc;
• Pacotes adicionais de software como Software de medida de espessura de filmes e de 
medida colorimétrica.
Matriz Detetora de Fotodiodos (PDA):
Todos os produtos são continuamente melhorados sempre visando ou custos ou desempenho. Osa 
Espectrômetros se desenvolveram de muitas maneiras desde a introdução dos espectrofotômetros 
que foram considerados simples e de preço moderado, que passaram a ser comercialmente 
disponíveis a partir de meados de 1950. Essas melhorias permitiram, mais recentemente, fabricar 
espectrofotômetros tipo PDA (PhotoDiode Array) UV-Vis.
Num dado momento, tanto o âmbito de aplicações, quanto o desempenho de espectrofotômetros 
UV-Vis com detectores de canal único convencionais passaram a ser considerados um tanto 
limitados. Isto encorajou uma busca de novas técnicas que pudessem ser aplicadas ao 
desenvolvimento de espectrofotômetros UV-Vis.
Nessa nova técnica a luz dispersa é voltada diretamente para a matriz do detector, economizando 
tempo e reduzindo a complexidade do instrumento. A combinação do elemento de dispersão e a 
matriz do detector é empregada na maioria dos espectrofotômetros modernos.André Luis Lenz 03/2011 25
A introdução de detectores multicanais, como o arranjo de diodos linear (PDA), dispositivo de carga 
acoplado (CCD) e vidicon, habilitou novos sistemas de detecção a serem empregados em 
espectrofotômetros UV-VIS e incentivou o rápido desenvolvimento de policromadores.
Tal como indicado no diagrama na a seguir, um policromador é um monocromador reforçada. Com 
monocromadores, a varredura da faixa de comprimento de onda exige que se rotacione 
mecanicamente o elemento de dispersão em torno do seu eixo vertical, já, com uma policromador, 
este é fixo e a varredura é realizada por meio eletrônico, multiplexando os sinais dos n elementos do 
detector de multicanal numa única via serial.
Detectores multicanal, tais como as matrizes de fotodiodo, dispositivos de carga acoplada ou 
vidicon são geralmente planos, ou sejas, com os múltiplos elementos dispostos em linha, e são mais 
utilizados com um arranjo de dispersão que produz uma superfície focal também plana.
Sob condições ideais, eles podem detectar vários comprimentos de onda simultaneamente, tantos 
quantos forem o seu número de diodos individuais, elementos de resolução ou pixels. A luz difusa e 
de fundo por elemento não são, evidentemente, diminuídas pelo fato de que eles estão em matrizes, 
mas os dispositivos de transferência de carga têm muito baixas correntes de escuro.
CCDs requerem menores quantidades de carga elétrica do que os PDAs e também tem maior 
eficiência de conversão carga / tensão, tornando os CCDs ideais para detecção de baixos níveis 
luminância, tais como as técnicas Raman e Luminescence.
Já, os PDAs, por outro lado, é mais adequado para aplicações em que o nível de luz é relativamente 
alto. Porque a carga de saturação de fótons de um CCD é pequeno e, se este nível de saturação é 
atingido, então a intensidade da luz será saturada. Mas para PDAs a carga de saturação do fóton é 
maior do que de CCDs de modo que o alcance da faixa de detecção de PDA é maior do que CCD.
Além disso, PDA proporciona menor ruído que CCD. Assim, recomenda-se o uso de PDA em 
aplicações onde a precisão maior de saída é necessária.
Um arranjo de diodos (PDA) é um arranjo linear de fotodiodos discretas em um chip de circuito 
integrado (IC). Para espectroscopia ele é colocado no plano de imagem de um espectrômetro para 
André Luis Lenz 03/2011 26
permitir uma gama de comprimentos de onda a ser detectado simultaneamente. A este respeito, pode 
ser pensado como uma versão eletrônica de película fotográfica. Detectores de matriz são 
especialmente úteis para a gravação do espectro de absorção total de UV-Vis de amostras que 
rapidamente passam através de uma célula de fluxo de amostra, tal como em um detector de HPLC.
Cada elemento de um PDA trabalham no mesmo princípio como um simples diodo detector 
fotovoltaico. Matrizes de diodo com números de elementos que variam de 128 -1024 (e mesmo até 
4096) estão disponíveis.
Este detector multicanal é um sensor ideal para todo um espectro em um espectrofotômetro 
dispersivo UV-VIS. Com esse 
aplicação em mente, foram 
desenvolvidas matrizes com diodos 
adjacentes em uma linha de 25,6 
mm de comprimento, espaçadas em 
25 µm centros. Cada diodo é 
definido por uma região P-dopada 
de milímetros 13 µm por 2500 µm 
(2,5 mm) que serve como o cátodo:
O PDA é preparado pela oxidação 
da superfície de um substrato 
semicondutor do tipo-N, produzindo 
uma camada de óxido de silício com 
espessura de 0,4 - 3,0 µm. Pequenas 
janelas são então abertas na camada 
de óxido por um processo de 
fotolitografia, onde são formadas as 
junções P-N, através da difusão de 
um semicondutor do tipo-P. Esta 
camada difusa de silício tipo-P pode 
ter uma espessura de 1,2 - 1,5 µm. A 
figura mostra um esquema do cristal 
de silício da geometria do sensor. Os arranjos com esta geometria (400 µm de altura e espaçamento 
centro a centro de 25 µm) são específicos para fins espectroscópicos pois possuem as mesmas 
proporções (100:1) equivalentes a de uma fenda de saída de um monocromador convencional.
Os arranjos de diodos podem ser encontrados com 128 até 4096 elementos, mas os mais comuns 
são os de 512 e de 1024. Embora a detecção da radiação seja simultânea, o processo de leitura de 
cada diodo é sequencial. A figura ao 
lado mostra um esquema simplificado 
do circuito de um PDA:
É importante salientar que o capacitor 
mostrado nesta figura (ligado em 
paralelo com o diodo) não é um 
componente adicional do circuito mas 
sim uma representação da 
capacitância da junção P-N. Cada 
fotodiodo do arranjo é conectado a 
André Luis Lenz 03/2011 27
uma chave transistor do tipo FET, "Field Effect Transistor", que é controlada por um único sinal que 
é deslocado através de um registrador de deslocamento "Digital Shift Register".
Um pulso de "START" (início de varredura) é usado para iniciar o processo de leitura. Após este 
pulso, os transistores FET são endereçados sequencialmente a cada pulso de "clock". Quando um 
transistor é endereçado, o diodo a ele associado é totalmente recarregado ao seu potencial de 
polarização reversa e a corrente que flui através do diodo e do transistor aparece na saída de vídeo.
Este sinal analógico é, então, amplificado, extraído por um circuito amostrador / retentor e, então, 
apresentado a um conversor AD (Analógico Digital). A frequência de "clock" empregada na leitura 
dos diodos pode variar de 36 kHz (28 µs/diodo) até 2 MHz (0,5 µs/diodo).
O tempo de integração é definido como o intervalo entre dois pulsos de "START" de duas 
varreduras consecutivas, sendo o mesmo para todos os diodos pois, uma vez iniciado o processo de 
leitura, o arranjo normalmente deve ser varrido sequencial e totalmente.
Entretanto, como o PDA necessita de um intervalo de tempo ∆t para ler cada um dos n sucessivos 
elementos, o enésimo diodo do arranjo terá integrado a radiação por um mesmo intervalo de tempo, 
mas em um momento que difere do 
primeiro diodo em (n . ∆t). A figura a 
ao lado ilustra este detalhe em um 
arranjo linear de fotodiodos. Embora 
esta diferença de tempo seja 
desprezível em muitos casos, como 
por exemplo em HPLC e FIA, em 
algumas aplicações, como no estudo 
de reações rápidas, o erro introduzido 
pode causar uma distorção temporal 
significativa.
Um feixe policromático a partir da fonte é irradiada sobre a fenda de entrada do policromador 
depois de passar através do compartimento da amostra.
O policromador dispersa a faixa estreita do espectro para a matriz de diodos. O fotodiodo converte a 
luz em sinais elétricos e temporariamente os armazena. Estes sinais são então lidos como séries de 
tempo sinais via a linha de saída uma chave ligada sequencialmente a cada fotodíodo com pulsos de 
endereços gerados a partir de um registrador de deslocamento.
Medição Simultânea Múltiplos Comprimentos de Onda:
Um espectro para a faixa de comprimento de onda, devem ser adquiridas para melhores resultados. 
A correlação entre comprimentos de onda e os canais de detector específico em um policromador 
facilita a medição quase simultânea das intensidades dos vários comprimentos de onda.
Apenas um ponto de referência específico pode ser adquirido em um momento com o 
espectrofotômetro UV-Vis convencional, pois tem apenas um único detector. Mas os dados para 
vários comprimentos de onda podem ser adquiridos com o espectrofotômetro de arranjo de diodos, 
simultaneamente, uma vez que existem centenas (ou milhares) de detectores de presentes. A figura a 
seguir apresenta o resultado de uma medição, em modo de operação espectro do equipamento, da 
faixa de comprimentos de onda total de uma solução deDidímio, que pode ser efetuada dentro de 1 
segundo (ou menos):
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Velocidade de Digitalização Rápida:
A aquisição espectral rápida faz dos espectrofotômetros de matriz de díodos os preferidos para 
medição de reações químicas rápidas e de materiais desnaturantes. Por exemplo, na figura a seguir é 
mostrado o espectros medido, como o instrumento operando em modo ultra cinético, em intervalos 
de 69 ms (o mínimo tempo p/ varredura do instrumento é de 20ms) durante uma reação de oxidação 
de um íon ferroso (reação foto-fenton). Com estes dados, o desaparecimento do reagente e 
aparência do produto pode ser monitorizada simultaneamente.
A figura a seguir apresenta o resultado de medição em uma reação cinética em modo gráfico 3D que 
permite que a reação seja vista em um piscar de olhos (decomposição de ácido ascórbico). Este 
modo mostra os eixos do comprimento de onda, da absorvância e do tempo (ou da temperatura). Tal 
função é raramente disponível em um instrumento do tipo convencional e as medições que resultam 
no gráfico levariam um longo período de tempo para serem realizadas:
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Antes do advento dos detectores de 
multicanais, toda a verificação rápida 
espectral era realizada utilizando um 
monocromador em que um espelho de 
grade que poderia ter seu ângulo 
movimento rapidamente. O ângulo do 
espelho determinava o comprimento de 
onda específico da radiação proveniente do 
dispositivo de dispersão que apareceria na 
sua fenda de saída.
Ao empregar uma policromador, algumas 
vantagens distintas em varredura rápidas 
são ganhos. Além disso, a leitura rápida 
(cerca de 10 ms por canal) da saída é 
possível. De 5 a 900 ms pode ser tomado 
para amostrar a saída de todos os elementos. 
Estes tempos são curtos o suficiente para 
rápidas medições espectrométricas.
Vantagem Multicanal:
Alta relação Sinal - Ruído:
A duração e a intensidade da iluminação determinam tanto a relação Sinal / Ruido final quanto o 
intervalo de exposição necessário para adquirir um espectro. Este intervalo é também o tempo de 
integração para o sinal. Um tempo de integração permite uma melhor relação Sinal / Ruído, vez que 
o sinal será maior e ruído, em média, mais próximo de zero.
Não há nenhuma função de integração no espectrofotômetro de UV-Vis convencional que se 
acumula o sinal. Por exemplo, o tempo total requerido será 1000 seg. para 1.000 pontos de dados e 
leva 1 seg. para medir um dado. Neste caso, todos os 1000 dados têm a mesma relação Sinal / 
Ruído.
Mas, em um instrumento PDA, que tem um agrupamento de fotodíodos 1000, 1000 pontos de dados 
pode ser medido em 1 seg. e que seria necessário 1/1000 seg. para alcançar o mesmo resultado 
obtido em 1 seg em um instrumento convencional. Portanto, quando a mesma amostra é medido 
para 1000 segundos num instrumento PDA, o sinal é acumulado e é 1000 vezes maior do que 
quando se mede por 1 seg. O ruído será 10001/2. Isto significa que a relação S / R é melhorada pela 
10001/2. Este benefício resultante da aquisição rápida de dados é denominado Advantage Felgett S / 
R ou Advantage Multicanal.
Precisão de Comprimento de Onda:
Movimentos mecânicos precisos são necessários em um espectrofotômetro convencional de UV-Vis 
para selecionar um comprimento de onda específico, manualmente ou por meio de um motor de 
passo. Mas um espectrofotômetro UV-Vis com matriz de fotodíodos adquire dados em cada 
comprimento de onda por varredura eletrônica. Desta forma, a reprodutibilidade de comprimento de 
onda de um instrumento baseado em PDA é muito melhor do que a mecânica de varredura de 
espectrofotômetro convencional de UV-Vis.
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