Para qué sirve y cómo funciona el espectrofotómetro

Cómo está compuesto un espectrofotómetro

Un espectrofotómetro para aplicaciones colorimétricas es un instrumento capaz de realizar fundamentalmente dos funciones básicas: iluminar un objeto y cuantificar la radiación devuelta en términos de reflexión o transmisión.

Esto es posible porque el espectrofotómetro está compuesto por dos elementos fundamentales:

• Un iluminante físico: constituido por una lámpara incandescente, de xenón o LED, utilizada para «irradiar» con luz neutra —blanca— el material que se desea medir.
• Una sonda: su función es recoger la luz reflejada o transmitida por el objeto iluminado. Los componentes ópticos y electrónicos presentes en el instrumento permiten procesar esta componente luminosa, que se muestra posteriormente al operador en forma de valores espectrales.

Los conceptos de reflexión y transmisión son fundamentales para comprender el funcionamiento de un espectrofotómetro.

Medición de la reflexión de un objeto

Estudiar la reflexión de un material resulta útil para analizar materiales opacos y semiopacos, como pinturas, tejidos y metales, y para determinar sus propiedades ópticas.

En la medición de la reflexión, la sonda del espectrofotómetro recoge la luz reflejada por la superficie iluminada del objeto. En este caso, el iluminante y la sonda se encuentran situados en el mismo lado respecto al objeto.

La medición de la reflexión se produce, por tanto, cuando la luz generada por el espectrofotómetro no atraviesa completamente el material que se desea medir, sino que su interacción con este provoca fenómenos de difusión y absorción que dan lugar a la reflexión.

En definitiva, la reflexión es la parte de la luz emitida que regresa efectivamente a la sonda. Puede variar desde un 0 %, en caso de absorción y difusión máximas, hasta un 100 %, en caso de reflexión total. Cuando se registran porcentajes intermedios, solo una parte de la luz se refleja realmente, mientras que el resto es absorbido selectivamente por el objeto o difundido en otras direcciones.

El porcentaje de reflexión medido por la sonda al recoger la luz reflejada es procesado por el espectrofotómetro y convertido en valores espectrales.

Medición de la transmisión de un objeto

La medición de la transmisión es más adecuada para analizar las propiedades ópticas de objetos transparentes o semitransparentes, como el vidrio, los plásticos transparentes y los líquidos.

En este caso, la luz se dirige hacia uno de los lados del objeto y la sonda se coloca en el lado opuesto para recoger la luz transmitida, es decir, la que atraviesa el objeto transparente.

En la medición por transmisión, la luz puede experimentar una absorción selectiva al entrar en contacto con el material y también una ligera difusión. Aunque el objetivo principal es determinar el color, la cantidad de luz transmitida proporciona información sobre la transparencia del propio material.

La única variable significativa en este tipo de medición es, por tanto, el propio material.

Funcionamiento del espectrofotómetro

El funcionamiento del espectrofotómetro para aplicaciones colorimétricas se basa en la medición de la luz dentro del rango visible percibido, que se extiende de 400 a 700 nanómetros, un intervalo que comprende todas las ondas luminosas visibles para el ojo humano.

Gracias a los monocromadores, componentes esenciales de los espectrofotómetros, el instrumento puede descomponer la luz procedente del material en fuentes monocromáticas, cubriendo todo el rango comprendido entre 400 y 700 nanómetros.

Estas fuentes son registradas posteriormente por una serie de fotodiodos que miden la intensidad de la luz en cada longitud de onda.

De este modo, es posible construir una representación precisa de las mediciones espectrales y obtener datos detallados sobre las propiedades ópticas del material.

Sin embargo, dado que no es posible incorporar un número infinito de sondas para medir todas las longitudes de onda posibles, se utilizan pequeños intervalos de medición y se aplican interpolaciones matemáticas para estimar los datos que faltan.

La técnica de medición mediante pequeños intervalos dentro de este rango es esencial para obtener una representación suficientemente precisa de las propiedades espectrales del material.

Medición espectral por puntos e intervalos

Para obtener una medición espectral inequívoca, el intervalo mínimo indispensable es de 20 nanómetros, lo que corresponde a 16 puntos de medición.

Aunque la tecnología de los espectrofotómetros modernos permite descomponer la luz hasta en 256 puntos, actualmente los programas informáticos de procesamiento de datos suelen utilizar 31 puntos de medición, con un intervalo de 10 nanómetros.

Para los análisis colorimétricos, este nivel de detalle —31 puntos de medición— es suficiente para obtener resultados precisos y fiables en la mayoría de las aplicaciones prácticas, garantizando un equilibrio entre precisión y tiempo de procesamiento.

El procesamiento de un mayor número de puntos no ofrecería ventajas significativas en términos de precisión, pero supondría un aumento del tiempo de procesamiento y de los costes operativos.

Sectores de aplicación del espectrofotómetro

Las mediciones realizadas mediante un espectrofotómetro desempeñan un papel fundamental en numerosas disciplinas científicas y sectores industriales especializados. En el sector textil y de la confección, estos instrumentos garantizan la estandarización cromática de hilos, tejidos y prendas terminadas, asegurando la uniformidad del color entre diferentes lotes y el cumplimiento de las especificaciones de diseño.

En la industria de las pinturas y los recubrimientos, el espectrofotómetro permite controlar la calidad de las formulaciones, verificar la correspondencia cromática y desarrollar nuevas tonalidades con la máxima precisión.

En el sector de los materiales plásticos, facilita el control de la coloración de polímeros y materiales compuestos, garantizando una apariencia uniforme y propiedades ópticas constantes durante los procesos de moldeo y extrusión.

En el ámbito de las tintas y los envases, garantiza la fidelidad cromática durante la impresión y el cumplimiento de los estándares de calidad aplicables a los envases y materiales promocionales. En el segmento de las pinturas para el comercio minorista, permite desarrollar formulaciones personalizadas y reproducir con precisión los colores solicitados por los clientes.

La industria del cuero utiliza estas tecnologías para controlar la coloración durante los procesos de curtido y teñido, mientras que, en el sector cosmético, el espectrofotómetro resulta esencial para el desarrollo y el control de calidad de bases de maquillaje, barras de labios, sombras de ojos y todos aquellos productos en los que la precisión cromática constituye un factor crítico para el éxito comercial.

Espectrofotómetros, espectrocolorímetros y colorímetros: clasificación de los instrumentos de medición

No es casualidad, por tanto, que los instrumentos de medición espectral se clasifiquen en función del número de puntos de medición.

Un espectrofotómetro debe disponer de al menos 16 puntos de medición, mientras que los instrumentos con menos puntos se denominan espectrocolorímetros —con una media de 8 puntos— o colorímetros —con solo 3 puntos, uno por cada color primario: azul, rojo y verde—.

Esta clasificación refleja la precisión y la capacidad de cada instrumento para proporcionar datos espectrales detallados.

Problemas de iluminación y soluciones mediante el espectrofotómetro

Un posible problema inherente al instrumento de medición está relacionado con el iluminante que incorpora.

Anteriormente se ha indicado que la única variable en la medición del color es el material, pero, en realidad, las mediciones espectrales también pueden variar en función del tipo de iluminante utilizado en el espectrofotómetro: lámparas LED, fluorescentes o incandescentes. Es evidente que una luz blanca y una luz amarilla pueden generar reflejos diferentes al iluminar un mismo material y, por tanto, producir percepciones cromáticas distintas de un mismo objeto.

Para resolver este problema, es posible trabajar de forma relativa, midiendo la energía del iluminante y relacionándola con la energía devuelta por la muestra.

Esta técnica permite obtener mediciones precisas y consistentes, independientemente del tipo de iluminante utilizado.

Transformación de los datos en valores triestímulo XYZ

Aunque proporcionan una medición inequívoca, las mediciones descritas hasta ahora presentan otro problema: miden principalmente la reflexión del objeto.

Sin embargo, para definir la percepción del color, es necesario considerar las propiedades de la fuente de luz y las características de recepción del ojo humano o de la sonda.

Por este motivo, actualmente se utilizan los denominados valores triestímulo, que permiten prever y cuantificar el color en términos de energía roja, verde y azul.

Como se ha indicado, el objetivo final del espectrofotómetro es recopilar datos. Estos se transforman automáticamente en valores triestímulo XYZ, que representan las cantidades de luz roja —X—, verde —Y— y azul —Z— recibidas por el ojo humano.

Representación del espacio de color CIElab

Aunque el cálculo de los valores triestímulo XYZ puede resultar útil para estimar el color, no permite realizar una evaluación semejante a la del observador humano, que incluye la percepción de luces y sombras y la definición de las gradaciones rojo-verde y amarillo-azul —oponencia cromática, teoría de Hering—.

Por este motivo, los valores XYZ se convierten al espacio de color CIElab, donde el eje vertical L representa la luminosidad, el eje cartesiano «a» define la tendencia rojo-verde y el eje cartesiano «b» representa la tendencia azul-amarillo. De este modo, el operador puede comprender con exactitud en qué punto del espacio CIElab se encuentra un color determinado.

Esta representación detallada de los colores proporciona una descripción muy precisa de las características colorimétricas de la muestra y permite, además, evaluar y comparar los colores de manera objetiva y cuantitativa.

La representación CIElab constituye, por tanto, una herramienta fundamental para el control de calidad y la estandarización de los colores en numerosos sectores industriales.

¿Quieres profundizar en los fundamentos científicos de la medición del color? Lee también «ColorWorkDesk: la medición del color mediante espectrofotómetros»

Espectrofotómetros ColorWorkDesk: redefinimos la colorimetría tradicional

La gama de espectrofotómetros de sobremesa y portátiles ColorWorkDesk —CWD— representa una innovación revolucionaria en la medición del color. Estos instrumentos avanzados permiten evaluar el color de cualquier material en cualquier contexto, gracias a su capacidad para trabajar tanto por reflexión como por transmisión. Esta versatilidad garantiza una cobertura completa y precisa de las necesidades de medición del color en los ámbitos más diversos.

Elegir espectrofotómetros CWD significa disponer de dispositivos de alto rendimiento, capaces de integrarse perfectamente con las tecnologías digitales modernas, como aplicaciones, sistemas en la nube y servidores.

Esta ventaja distintiva marca una clara diferencia en la industria de la colorimetría, dejando atrás los métodos tradicionales ya obsoletos y ofreciendo rapidez, precisión y exhaustividad en las mediciones del color.