UNIVERSIDAD MAYOR DE SAN SIMONFACULTAD DE CIENCIAS Y TECNOLOGIACARRERA DE INGENIERIA QUMICA

DETERMINACION DEL TAMAO DE PARTCULA POR MICROSCOPIO ELECTRNICO

MATERIA: Laboratorio de Operaciones Unitarias IISEMESTRE: 2-2015ESTUDIANTE: Snchez Sols Claudia Lorena DOCENTE: Ing. Nelson Hinojosa SalazarTabla de contenido1.INTRODUCCION12.OBJETIVOS12.1.OBJETIVO GENERAL12.2.OBJETIVOS ESPECFICOS13.DESARROLLO DEL TRABAJO13.1.METODOS DE MEDICION DEL TAMAO DE PARTCULA13.2.MICROSCOPIO ELECTRNICO43.2.1.MICROSCOPIO ELECTRNICO DE BARRIDO43.2.2.MICROSCOPIO ELECTRONICO DE TRANSMISION74.CONCLUSIONES105.REFERENCIAS11

1. INTRODUCCIONEl tamao de partcula es un parmetro importante en la industria farmacutica, minera, alimenticia, entre muchas otras. Por ejemplo, en la industria farmacutica, tamao de las partculases uno de los primeros parmetros que hay que determinar para obtener la velocidad de absorcin potencial del principio activo. La velocidad de absorcin al estar en funcin de la solubilidad y de la velocidad de disolucin del principio activo en los medios biolgicos, hace destacar la importancia que tiene la superficie efectiva de las partculas en contacto con el disolvente.De igual forma, es de inters conocer el tamao de partculas de los suelos, ya que este le da textura al mismo y determina la cantidad de aire y humedad que tiene.A raz de esto, se han desarrollado distintos mtodos que permitan establecer la magnitud de un grano que se obtiene despus de una operacin de pulverizacin, lo que se conoce como anlisis granulomtrico.El impresionante desarrollo instrumental ha mejorado grandemente la precisin y reducido considerablemente eltiempoen la obtencin de anlisis granulomtricos con alto grado de reproducibilidad. La reproducibilidad de los resultados del anlisis granulomtrico y su aproximacin a ladistribucinreal depende fundamentalmente de la preparacin de lamuestra, la forma de las partculas y la tcnica empleada.En el presente trabajo abordaremos de manera especial, el mtodo de microscopia electrnica.2. OBJETIVOS2.1. OBJETIVO GENERAL Estudiar el mtodo de microscopia electrnica aplicado a la determinacin del tamao de partcula2.2. OBJETIVOS ESPECFICOS Estudiar el funcionamiento del microscopio electrnico. Conocer los tipos de microscopios electrnicos y sus aplicaciones. Conocer el rango de tamao de partcula que puede medir un microscopio electrnico.3. DESARROLLO DEL TRABAJO3.1. METODOS DE MEDICION DEL TAMAO DE PARTCULAExisten los siguientes mtodos:

TamizadoEsta tcnica es adecuada para el anlisis de partculas que se encuentren el rango de 125 mm a 20 m. La muestra de partculas es tamizada en una torre de tamices con mallas de distinto dimetro que siguen una progresin geomtrica y se encuentran estandarizados. Una vez que se establece la torre de tamices, se colocan en un equipo que agita el conjunto de tamices por el tiempo que se desee, o la tcnica requiera. En general, si se carga ms masa mayor tiempo de tamizado ser requerido.

Ilustracin 1: Tamiz vibratorio de laboratorio ElutriacinLa elutriacin por aire es especialmente til para polvos finos, los cuales pueden ser clasificados sometiendo las muestras a diferentes caudales de aire. Aquellas partculas que alcancen su velocidad terminal (definida por la velocidad de aire en el ensayo), sern arrastradas y podrn ser colectadas aguas abajo del equipo, por ejemplo con un filtro. Luego se aumenta el caudal de aire y se recolectan partculas ms gruesas, y as sucesivamente. SedimentacinSedimentacin En esta tcnica se calcula el dimetro de Stokes mediante la observacin de la velocidad con la que caen las partculas en un medio fluido estacionario. Se diluye el sistema particulado, comnmente en agua, para poder asumir que las partculas caen a la velocidad terminal de una partcula nica en un medio lquido. Si se asume la Ley de Stokes, el Re (Reynolds) debe ser menor a 0.25 (rgimen laminar). Por lo tanto este mtodo de sedimentacin ser aplicable a partculas menores a los 50 m (considerando como fluido agua a temperatura ambiente).

Ilustracin 2: Equipo usado para la determinacin del tamao de partcula por sedimentacin Difraccin laserLa tcnica de difraccin lser se basa en el principio que cuando partculas atraviesan una luz lser la dispersan con un ngulo que est directamente relacionado con el tamao de las partculas. A medida que el tamao de las partculas disminuye el ngulo de difraccin que se observa aumenta logartmicamente. Adems la intensidad de la luz es dependiente del tamao de las partculas, se relaciona con el rea transversal de las partculas. Por lo tanto partculas de mayor tamao difractan la luz a ngulos pequeos con mayor intensidad, mientras que las partculas pequeas difractan con mayores ngulos y menor intensidad. En la ilustracin 3 se muestra un esquema de un equipo de difraccin lser, el mismo posee los siguientes componentes: Un lser, que provee una fuente de luz a una longitud de onda constante. Un espacio donde se confina la muestra dispersa (con aire o lquido) Una serie de detectores para medir el patrn de luz.

Ilustracin 3: Esquema del equipo de difraccin laser MicroscopiaLa microscopa es el nico mtodo que permite la observacin y medicin de partculas individuales. Mediante la observacin de las partculas es posible establecer tamao, forma y morfologa. Los valores de tamao que se obtengan por microscopa sern ms exactos en la medida que se midan ms partculas. El resultado del anlisis permite establecer el nmero de partculas. El rango de anlisis recomendado para microscopios pticos es 3m-150m. Los microscopios electrnicos pueden analizar partculas de menor tamao, aproximadamente entre 0.001m-100m. A continuacin profundizaremos ms sobre la microscopia electrnica.3.2. MICROSCOPIO ELECTRNICOEl microscopio electrnico es un dispositivo que utiliza un haz de electrones dirigidos hacia una muestra a analizar y produciendo una imagen en una pantalla sensible a los electrones. ste tipo de microscopio permite realizar aumentos de hasta 2.000.000x, frente a los microscopios pticos que producen aumentos de 2.000x, gracias a que la longitud de onda de los electrones (0,5 Angstroms) es mucho menor que la de la luz visible (4.000 Angstroms).La evolucin de ste tipo de microscopio signific un importante avance tanto para la medicina (visionado de partes de una clula, protenas, virus....) como para los procesos de calidad en farmacologa, desarrollo de semiconductores, circuitos integrados y dems aplicaciones industriales.3.2.1. MICROSCOPIO ELECTRNICO DE BARRIDOEn el microscopio electrnico de barrido, un campo magntico permite enfocar los rayos catdicos (electrones) y obtener una imagen tridimensional, por el examen de la superficie de las estructuras, permitiendo la observacin y la caracterizacin de materiales orgnicos e inorgnicos, proporciona aumentos de 200.000 dimetros.

Von Ardenne, en 1.938, construy el primer Microscopio Electrnico de Barrido (MEB); posteriormente, en Inglaterra, se construy el primer MEB Ambiental, con el cual se pueden observar muestras hidratadas.3.2.1.1. Descripcin del equipo

Los componentes principales del microscopio de barrido SEM son los siguientes:

Ilustracin 4: Equipo SEM Fuente de energa La fuente de energa del microscopio electrnico de barrido depende de varios factores, siendo los ms importantes el voltaje de aceleracin, la intensidad de la corriente y al dimetro de haz. Para usos prcticos debe asegurarse una alta estabilidad de la corriente. En unos puntos el haz de electrones es desviado 1, 2, 3... n veces por los campos magnticos controlados por el generador de barrido. Como consecuencia el haz es movido sobre la superficie de la muestra y la seal as detectada por el colector de electrones. Se puede ajustar el colector para detectar cualquier emisin como rayos X, luz infrarroja, ultravioleta, etc. Portamuestras La muestra montada sobre un soporte puede moverse en tres direcciones, ser calentada, enfriada, estirada, etc. dentro del instrumento. Para el estudio de ciertos tipos de muestras tales como, metales, minerales, semiconductores, etc., se requiere calefaccin de la muestra. La calefaccin puede conseguirse por medio de un hilo incandescente o calentando la muestra en un crisol aplicando directamente a la muestra una corriente elctrica.Los mtodos de enfriamiento se usan principalmente en la preparacin de muestras biolgicas. Para la deformacin mecnica en el estudio de muestras tales como metales, polmeros o fibras, es necesario determinar una escala de fuerzas ya que la fuerza requerida vara considerablemente segn el tipo de material. Sistema de amplificacin El sistema de amplificacin recoge las seales y procesa la informacin procedente de la muestra, al mismo tiempo que el haz de electrones barre la muestra. El generador de barrido est conectado al tubo de rayos catdicos (CRT) para que el haz de electrones en este tubo sea barrido en la misma forma que, el haz principal. Sin embargo, la potencia de la corriente suministrada a la columna principal para el barrido puede ser atenuada mientras que el tubo de la pantalla es barrido sobre un rea constante. Como consecuencia de ello, cualquier reduccin en el rea de la muestra barrida da lugar a un aumento de la imagen. Este aumento viene determinado por la relacin del rea de la pantalla del tubo (constante) respecto al rea de la muestra barrida (variable).3.2.1.2. FuncionamientoLa muestra es colocada en un pequeo espacio, al cual se le hace vaco despus de cerrada la puerta. La puerta tiene tres palancas que el operador usa para: subir y bajar la muestra, rotar la muestra y acercarla o alejarla. Un haz delgado de electrones, es producido en la parte superior del microscopio por medio del calentamiento de un filamento metlico (10-30 KV). El rayo de electrones primarios sigue un recorrido a travs de la columna de vaco del microscopio, esto, con el propsito, de evitar la dispersin de los electrones. El trayecto del haz de electrones es enseguida modificado por un conjunto de bobinas deflectoras que lo hacen recorrer la muestra punto por punto y a lo largo de lneas paralelas (barrido), y a su vez atraviesa las lentes condensadoras o electromagnticas que le permiten ser reenfocado o centrado hacia la muestra. Posteriormente, el dimetro del haz de electrones puede ser modificado al pasar por las lentes objetivas que controlan la cantidad de electrones dentro de este. Cuando los electrones primarios golpean la muestra, son emitidos electrones secundarios por el propio espcimen.Estos electrones secundarios son atrados por un colector donde se aceleran y se dirigen al escintilador, donde la energa cintica Es convertida en puntos de mayor o de menor luminosidad, es decir, en luz visible. Esta luz es dirigida a un amplificador donde se convierte en seal elctrica, la cual pasa a una pantalla de observacin donde la imagen es formada lnea por lnea y punto por punto. Los circuitos que dirigen las bobinas de barrido (que obligan al haz a barrer la muestra), son las mismas que dirigen la parte de coleccin de electrones y que producirn la imagen.Ilustracin 5: Funcionamiento del SEM

La preparacin de las muestras es relativamente fcil ya que la mayora de los SEM slo requieren que estas seanconductoras. De esta forma, la muestra generalmente es recubierta con una capa de carbono o una capa delgada de unmetalcomo eloropara conferirle carcter conductor.La mayora de los microscopios electrnicos cuenta con algunos dispositivos que permiten medir las partculas automticamente.La microscopa electrnica de barrido es una tcnica que sirve para analizar la morfologa de materiales slidos de todo tipo (metales, cermicos, polmeros, biolgicos, etc.), con excepcin de muestras lquidas. La resolucin nominal del equipo es de 3 nm lo cual permite estudiar caractersticas de los materiales a una escala muy pequea. Este microscopio cuenta con la tcnica de Espectroscopia de Dispersin de Energa (EDS) que sirve para hacer anlisis elemental. Con esta tcnica se pueden detectar todos los elementos qumicos con nmero atmico mayor a 4 de manera cualitativa y semicuantitativa. Una de las grandes ventajas respecto a otro tipo de microscopa es la facilidad de preparacin de muestras ya que slo en casos especiales se puede tornar laboriosa.

3.2.2. MICROSCOPIO ELECTRONICO DE TRANSMISION3.2.2.1. Descripcin del equipo

El microscopio electrnico de transmisin (TEM) posee los siguientes componentes: Can electrnicoEl tipo ms usado de can electrnico consiste de un filamento de alambre de tungsteno doblado en forma de V. El electrodo de control se denomina cilindro de Wehndt, y tiene una apertura circular de 1 a 3 mm de dimetro centrada en el pice del filamento. La superficie cncava hace las funciones de nodo, y utilizando una superficie convexa la imagen de la fuente electrnica puede reducirse en tamao respecto al electrodo cncavo. La intensidad total del haz de ctodo a nodo puede ser de 10 a 400 microamperios, pero solamente una pequea fraccin de ste llega hasta la muestra. CondensadoresLos dos condensadores son capaces de dar una amplia gama de intensidad ajustando el can electrnico. Esto reduce el rea iluminada en la muestra. Sin embargo, otras partes de la muestra tambin sufren los efectos del haz electrnico. El primer condensador reduce la imagen de la fuente mientras que el segundo condensador obtiene la adecuada intensidad de iluminacin. Plataforma para la colocacin de la muestra La plataforma para colocar la muestra est situada en frente del objetivo. Se introduce la muestra en la columna del microscopio a travs de una abertura. Objetivo El objetivo es la lente ms importante en el microscopio electrnico. La distancia focal de esta lente est comprendida entre 1 y 5 milmetros, siendo 1,1 mm la ms frecuente. Cuanto menor es la distancia focal, mayor es la resolucin. Debido a que el haz de imagen tiene la mxima apertura angular en el primer objetivo, esta lente controla la calidad de la imagen producida. Se puede corregir la aberracin esfrica usando un "stigmator", que es un dispositivo que permite introducir metal para compensar la inhomogeneidad inherente de la lente, y obtener elevada resolucin. Otro accesorio importante, permite regular la apertura del objetivo, la cual limita la dispersin de los electrones, evitando as la degradacin de la imagen. Esta apertura mejora el contraste siendo 20 y 40 micrmetros (pm) los ms frecuentes. Lente intermedia La lente intermedia puede aumentar o disminuir la imagen. Se puede conseguir esto, aumentando o disminuyendo la potencia de la corriente a esta lente. Lente de proyeccin La lente de proyeccin corresponde al ocular del microscopio ptico. Su funcin es la de proyectar la imagen real sobre la pantalla fluorescente, y permite una amplia gama de aumentos. Se puede variar la ampliacin de 100 X hasta 300.000 X usando lentes intermedias y de proyeccin. Cmara de observacin La cmara de observacin y la pantalla fluorescente estn situadas en el fondo de la columna. La imagen se enfoca sobre un punto marcado y el enfoque fino se consigue con unos binoculares de 6 y 20 X. El dimetro del punto de enfoque es de 100 m, por lo tanto la imagen debe ser mayor que este dimetro para ser resuelta. La cmara de observacin est protegida por un vidrio grueso de plomo para evitar la emisin de rayos X. Cmara fotogrfica La cmara fotogrfica est situada debajo de la pantalla fluorescente. La pantalla fluorescente est sujetada por m lado, y al quitar el paso del haz electrnico la imagen se centra sobre la pelcula fotogrfica. Se pueden usar varios tipos de pelculas y placas de vidrio.3.2.2.2. FuncionamientoEl microscopio electrnico ms sencillo es muy similar al microscopio ptico. Ambos tienen lentes y condensadores para concentrar la iluminacin sobre la muestra.

Ilustracin 6: Esquema simplificado ilustrando la semejanza entre microscopio ptico y microscopio electrnico de transmisin.

Los rayos de iluminacin atraviesan la muestra y son enfocados por las lentes del objetivo y de proyeccin para formar una imagen aumentada sobre una pantalla fluorescente. Sin embargo el microscopio electrnico es mucho ms complejo. Para que los electrones puedan ser acelerados hasta la velocidad prefijada, debe trabajarse en condiciones de alto vaco ( a torr; 1 torr = 1 mm de mercurio a 0C). El sistema central del microscopio electrnico incluyendo la pantalla fluorescente y el equipo fotogrfico, lo constituye un tubo hueco. El equipo elctrico que suministra la corriente necesaria se halla generalmente situado a una cierta distancia para evitar la interferencia de los campos magnticos dispersados. La mayora de los microscopios estn equipados con dispositivos de seguridad que no permiten conectar el filamento de alto voltaje hasta que no se ha conseguido el vaco apropiado. Las lentes magnticas del microscopio electrnico estn formadas por imanes en forma de herradura. El imn puede ser permanente o de tipo electromagntico. Variando la potencia de la corriente a la lente se consigue el efecto de variar la distancia focal de la lente continuamente, lo cual es muy similar al sistema de "zoom. Sin embargo, normalmente se preselecciona la corriente deseada. Se pueden ajustar los voltajes de aceleracin en una gama que incluye 40, 60, 80 y 100 Kv, etc. Ajustando Kv a un nivel inferior, se consigue aumentar el contraste.Entre las ventajas y desventajas de esta tcnica tenemos:

Ilustracin 7: Microscopio electrnico de barrido

Los elevados costos de los equipos y la debida adecuacin de una infraestructura para el buen funcionamiento hacen que esta tcnica, se convierten en acceso de investigadores privilegiados. Sin embargo, es comn contratar estos servicios por horas o por fotografas requeridas.Los costos de reactivos tambin dan un factor decisivo para la eleccin de esta tcnica. Aun cuando este proceso de investigacin sea costoso, proporciona resultados muy precisos de amplia resolucin y magnificacin.La tcnica de preparacin de las muestras cumple con protocolos establecidos, pero son vulnerables y variados al tipo de investigacin que se realice, contando ms con la experiencia del investigador.La complejidad de los equipos, lo hacen susceptibles a la descalibracin. Nuevamente encontrar las condiciones ptimas requiere de un proceso tedioso y prolongado.La manipulacin de reactivos se torna peligroso por la elevada condicin toxica de los mismos.Las imgenes obtenidas son monocromticas y planas siendo necesario, en algunos casos, un tratamiento posterior mediante anlisis de imgenes con un software especializado.

4. CONCLUSIONES El microscopio electrnico es un dispositivo que utiliza un haz de electrones dirigidos hacia una muestra a analizar y produciendo una imagen en una pantalla sensible a los electrones. ste tipo de microscopio permite realizar aumentos de hasta 2.000.000x, frente a los microscopios pticos que producen aumentos de 2.000x, gracias a que la longitud de onda de los electrones (0,5 Angstroms) es mucho menor que la de la luz visible (4.000 Angstroms). Es uno de los mtodos ms completos, empleado para medir el tamao de las partculas comprendidas entre 0,001 - 100 micras de dimetro. El microscopio el electrnico posee ms ventajas al presentar la capacidad de observar imgenes en 3D adems de un menor costo de operacin.

5. REFERENCIAS Dr. Diego Bertn. (2013). Sistemas de partculas. 3 de enero de 2016, de Universidad Nacional del Sur Departamento de Ing. Qca. Sitio web: http://www.criba.edu.ar/cinetica/solidos/Capitulo3.pdf Javeriana (2006). Microscopia electrnica de barrido. 3 de enero de 2016, de Pontificia Universidad Javeriana Sitio web: http://www.javeriana.edu.co/Facultades/Ciencias/neurobioquimica/libros/celular/melecbarrido.htm Javeriana (2006). Microscopia electrnica de transmisin. 3 de enero de 2016, de Pontificia Universidad Javeriana Sitio web: http://www.javeriana.edu.co/Facultades/Ciencias/neurobioquimica/libros/celular/microelectrans.htm Luis M. Gugliotta, Georgina S. Stegmayer, Jorge R. Vega. (2007). Estimacin de la Distribucin de Tamaos de Partculas Submicromtricas de Ltex . 10 de enero de 2016, de Universidad Tecnolgica Nacional Facultad Regional Santa Fe Sitio web: http://www.propfis.org/index_arquivos/lectures/e4p5.pdf Esperanza Salvador Rueda. (2008). Microscopia electrnica. 16 de enero de 2016, de Universidad Autnoma de Madrid Sitio web: https://www.uam.es/ss/Satellite/es/1242668321277/1242666559037/UAM_Laboratorio_FA/laboratorio/Laboratorio_de_Microscopia_de_Barrido_y_Analisis_por_Energia_Dispersiva_de_Rayos_X.htm