Turbidez

Guía de turbidez

La turbidez en los líquidos es causada por pequeñas partículas suspendidas (no disueltas), que tienen un índice de refracción diferente al del medio circundante. Esta interferencia produce reflexión, absorción y dispersión, es decir, un cambio de dirección de la luz irradiada. Con el aumento de las concentraciones de partículas, la intensidad de la luz dispersa aumenta y alcanza un máximo, que está influenciado por la longitud de onda de la luz, el tamaño y la forma de las partículas, el índice de refracción y el color de la solución. Los dos factores más importantes que influyen en la intensidad y la distribución espacial de la luz dispersa son la longitud de onda de la luz y el tamaño de las partículas. En la mayoría de las aplicaciones biológicas el tamaño de las partículas está dentro de un rango de nanómetro alto (100 - 500 nm, coloides) a un rango de micrómetro medio (0.5 - 5 células µm). Las longitudes de onda aplicadas en las mediciones de turbidez están generalmente en el rango de infrarrojo cercano (NIR 700-1000 nm) para eliminar la influencia de cualquier sustancia coloreada. Dado que, especialmente para partículas más grandes, la distribución angular de la intensidad de la luz dispersa alrededor de una partícula no es simétrica[1] (Fig. 1.), el ángulo entre el haz de luz de emisión y el detector es de importancia crítica al medir la turbidez. Además de medir la dispersión en ángulos definidos, también se puede utilizar la absorción de la luz para medir la turbidez. Con la excepción de la retrodispersión, las mediciones de la retrodispersión son ideales para monitorear valores de turbidez muy bajos, mientras que la absorción de luz o retrodispersión pueden usarse para medir valores de turbidez extremadamente altos (Fig. 2).

Medición de la dispersión - Dependencia angular

Las mediciones de turbidez con un ángulo de detección de 90° (dispersión lateral) son más sensibles a partículas en el rango de tamaño de 0,1-0,5 µm[2], por ejemplo, coloides, razón por la cual se describe este enfoque y se utiliza comúnmente para mediciones de calidad en cerveza y agua potable. Para mediciones de partículas en el rango de 0.5 - 5 µm sin embargo, ángulos más bajos, midiendo la intensa dispersión hacia adelante causada por partículas más grandes, son más apropiados. Teóricamente, la relación señal/ fondo más alta o la sensibilidad más alta se obtiene cuando se mide tan cerca de 0° como sea posible. Debido a las limitaciones técnicas dadas por la necesidad de separar la dispersión de la señal de transmisión del haz de excitación, el ángulo más bajo que se puede realizar es de 11°. En ángulos más bajos, la influencia de la señal de transmisión con su pendiente negativa causada por el aumento de la absorción, se vuelve demasiado grande.

La figura 3, que representa las mediciones con formazina, un estándar de turbidez común con una distribución de tamaño de partícula en el rango de 1 -2 µm, muestra claramente que la sensibilidad a 11° es mayor que la de los ángulos superiores, incluidos los de 90°.

Dependencia del tamaño de las partículas de la señal de dispersión en diferentes ángulos

Las mediciones con perlas de poliestireno de tamaños definidos muestran que la medición a 11° es más sensible que las mediciones a 90°. Este efecto se hace aún más evidente cuando se miden partículas relativamente grandes en el rango de tamaño de células (Fig. 4). Cuando se miden coloides con un tamaño inferior a 0,2 μm la medición a 11° no tiene ninguna ventaja sobre la medición a 90°. Sin embargo, cuando hay que detectar partículas de mayor tamaño, una medición a 11° es mucho más sensible.

Mediciones de turbidez basadas en la dispersión y la absorción

Mientras que la medición de la dispersión de 11° es muy sensible a valores bajos de turbidez, la señal se satura e incluso se invierte a valores medios de turbidez debido a múltiples efectos de dispersión. Sin embargo, la señal de absorción a 0°, que es relativamente insensible a valores bajos de turbidez, muestra una respuesta lineal hasta altas concentraciones (Fig. 5). La conexión de los dos métodos en un solo sensor permite una combinación de alta sensibilidad con un amplio rango dinámico.

Medición de la turbidez por absorción - Longitud del paso y óptica

El enfoque de absorción de 0°, técnicamente más sencillo, permite realizar mediciones con niveles de turbidez medios a altos, muy por encima del rango de mediciones de la señal de dispersión. A diferencia de una medición de dispersión, la longitud del paso óptico puede ser optimizada al rango de turbidez esperado o deseado usando diferentes cuerpos de sensores, incluyendo longitudes de paso muy cortos si es necesario monitorear valores de turbidez altos. Cuando se realizan mediciones de absorción en las que la intensidad de la luz que llega al detector debe disminuir con el aumento de la turbidez, los efectos de dispersión fuera de la óptica del detector causan un efecto adverso (Fig. 6). La luz difusa detectada por la óptica de absorción afecta a la linealidad de la señal de absorción. Dependiendo de la aplicación, la configuración óptica de la medición de absorción puede ajustarse a un rango de medición máximo utilizando ópticas estándar o a una linealidad y sensibilidad máximas utilizando ópticas de enfoque de alto rendimiento (Fig. 7). La figura 8 muestra la ventaja de la sensibilidad y linealidad del rendimiento en comparación con la óptica estándar. Un beneficio positivo de la óptica de rendimiento es la reducción de la variabilidad entre los sensores y, por lo tanto, la mejor comparabilidad necesaria para las mediciones redundantes.

Fig. 1:Distribución angular de la intensidad de la luz difusa causada por

• A) partículas más grandes
• B) coloides y
• C) una mezcla de ambos

Fig. 2:Señal obtenida desde diferentes ángulos de medición utilizando formazina. Con la excepción de la señal de retrodispersión que tiene su máximo con valores de turbidez más altos, todas las señales son normalizadas.

Fig. 3:Señal de dispersión desde tres ángulos de detección diferentes usando formazina.

Fig. 4:Señal de dispersión desde 11° y 90° utilizando perlas de poliestireno de dos tamaños diferentes.

Fig. 5:Respuesta de la señal desde 11° de dispersión y 0° de absorción

Fig. 6:Efecto de la dispersión en la óptica estándar

Fig. 8:Medición de la concentración de células de levadura con dos ópticas diferentes.

Fig. 7:Efecto reducido de la dispersión en la óptica enfocada