Tabulka 1 Metoda zpracování vzorků EPA pro analýzu kovových prvků

Atomová absorpční spektroskopie

ElenaSevostianova

Studium absorpčníchspekter pomocí průchodu elektromagnetického záření atomovým prostředím, které selektivně absorbuje; tím vznikají čistě elektronické přechody bez vibračních a rotačních přechodů

(Academic Press Dictionary of Science and Technology)

1. Úvod

2. Přístrojové vybavení

3. Techniky měření a metody EPA využívající FAAS

4. Návod k obsluze spektrofotometru Perkin-ElmerModel 460

5. Metody měření a EPA. Zdroje pro atomovou absorpci

1. Úvod

Obrázek1. Prvky detekovatelné atomovou absorpcí jsou v této periodické tabulce zvýrazněny růžovou barvou

Atomové absorpčnímetody měří množství energie (ve formě fotonů světla, a tedy změnu vlnové délky) absorbované vzorkem. Konkrétně detektorměří vlnové délky světla prošlého vzorkem (vlnové délky „po“) a porovnává je s vlnovými délkami, které původně vzorkem prošly (vlnové délky „před“). Signálový procesor pak integruje změny vlnových délek, které se ve výstupu zobrazí jako vrcholy absorpce energie na diskrétních vlnových délkách (viz schéma atomového absorpčního experimentu).

Každý atom má svůj vlastní odlišný vzorec vlnových délek, na kterých bude absorbovat energii, což je způsobeno jedinečnou konfigurací elektronů v jeho vnějším obalu. To umožňuje kvalitativní analýzu čistého vzorku.

Chceme-li určit, kolik známého prvku je přítomno ve vzorku, musíme nejprve stanovit základ pro porovnání pomocí známých veličin. To lze provést vytvořením kalibrační křivky. Pro tento postup se zvolí známávlnová délka a detektor bude měřit pouze energii emitovanou při této vlnové délce. S rostoucí koncentrací cílového atomu ve vzorku se však úměrně zvyšuje i absorpce. Provede se tedy série známých koncentrací nějaké sloučeniny a zaznamená se odpovídající stupeň absorbance, což je převrácené procento propouštěného světla. Mezi všemi známými body lze pak vést přímku, z níž lze extrapolovat koncentraci zkoumané látky na základě její absorbance. Použití speciálních zdrojů světla a specifický výběr vlnové délky umožňuje kvantitativní stanovení jednotlivých složek směsi více prvků.

Jev atomové absorpce (AA) byl poprvé pozorován v roce 1802 objevem Fraunhoferových čar ve slunečním spektru. Teprve v roce 1953 australský fyzik sir Alan Walsh prokázal, že atomovou absorpci lze použít jako kvantitativní analytický nástroj. Atomová absorpční analýza zahrnuje měření absorpce světla vypařenými atomy v základním stavu a vztahování absorpce ke koncentraci. Dopadající světelný paprsek je zeslaben absorpcí atomárních par podle Beerova zákona.

Proces atomové absorpční spektroskopie (AAS) zahrnuje dva kroky:

1. Atomizace vzorku

2. Absorpce záření ze zdroje světla volnými atomy

Vzorek, buď kapalný, nebo pevný, se atomizuje buď v plameni, nebo v grafitové peci. Při absorpci ultrafialového nebo viditelného světla dochází u volných atomů k elektronickým přechodům ze základního stavu do excitovaných elektronických stavů.

Pro získání nejlepších výsledků v AA musí být instrumentální a chemické parametry systému zaměřeny na produkci neutrálních atomů základního stavu zajímavého prvku. Běžnou metodou je zavedení kapalného vzorku do plamene. Po zavedení je roztok vzorku rozptýlen do jemného spreje, sprej je poté v plameni desolvován na částice soli a částice jsou následně odpařeny na neutrální atomy, iontové druhy a molekulární druhy.Všechny tyto procesy přeměny probíhají v geometricky definovatelných oblastech v plameni. Proto je důležité nastavit parametry přístroje tak, aby světlo ze zdroje (obvykle lampy s dutou katodou) směřovalo přes oblast plamene, která obsahuje maximální počet neutrálních atomů. Světlo produkované dutou katodovou lampou je vyzařováno excitovanými atomy stejného prvku, který má být stanoven. Zářivá energie proto přímo odpovídá vlnové délce, která je absorbovatelná atomizovaným vzorkem. Tato metoda poskytuje jak citlivost, tak selektivitu, protože ostatní prvky ve vzorku obecně neabsorbují zvolenou vlnovou délku, a tudíž neruší měření. Pro snížení interference pozadí je vlnová délka, která je předmětem zájmu, izolována monochromátorem umístěným mezi vzorkem a detektorem.

Top of the document

2. Instrumentation

Figure 2. Instrumentation

Figture 2. Spektrofotometr Perkin-Elmer model460

Při atomové absorpci (viz schéma experimentu s atomovou absorpcí) existují dva způsoby dodání tepelné energie vzorku. AAS s grafitovou pecí používá k ohřevu vzorku grafitovou trubici se silným elektrickým proudem. Při plamenové AAS (viz obrázek výše) nasáváme vzorek do plamene pomocí rozprašovače. Plamen je zarovnán do paprsku světla příslušné vlnové délky. Plamen (tepelná energie) způsobí, že atom přejde ze základního stavu do prvního excitovaného stavu. Při přechodu atomy absorbují část světla z paprsku. Čím koncentrovanější je roztok, tím více světelné energie je absorbováno!“

Světelný paprsek je generován lampou, která je specifická pro cílový kov. Lampa musí býtdokonale nastavena tak, aby paprsek procházel nejžhavější částí plamene. Světlo procházející plamenem je přijímáno monochromátorem, který je nastaven tak, aby přijímala vysílal záření o stanovené vlnové délce a putoval do detektoru. Detektor měří intenzitu světelného paprsku. Pokud je část světla pohlcena kovem, intenzita paprsku se sníží. Detektor toto snížení zaznamená jako absorpci. Tuto absorpci zobrazí datový systém na výstupním zařízení.

Můžeme zjistitkoncentrace kovů ve vzorku při průchodu sérií kalibračních standardů přístrojem. Přístroj zaznamená absorpci generovanou danou koncentrací. Vynesením absorpce v závislosti na koncentraci standardů lze sestrojit kalibrační křivku. Poté se můžeme podívat na absorpci pro roztok vzorku a pomocí kalibrační křivky určit koncentraci v tomto

Top of the document

3. Techniky měření a EPAMetody využívající FAAS

Atomová absorpční spektrometrie je poměrně univerzální analytická metoda pro stanovení kovových prvků, pokud jsou přítomny ve stopových i hlavních koncentracích. EPAvyužívá tuto techniku pro stanovení koncentrace kovů ve vzorcích z různých matric.

A) Příprava vzorku

V závislosti na požadovanýchinformacích lze z určité matrice životního prostředí získat celkové využitelné kovy, rozpuštěné kovy, suspendované kovy a celkové kovy. V tabulce 1 je uvedeno číslo metody EPA pro zpracování vzorků z hlediska environmentálních matric a požadovaných informací. Podrobnější informace naleznou čtenáři v dokumentu EPA SW-846 „Testovací metody pro hodnocení pevných odpadů“.

V těchto metodách se používá vhodná acidifikace. Rozklad kyselinou chlorovodíkovou není vhodnýpro vzorky, které budou analyzovány metodou atomové absorpční spektroskopie v grafitové peci, protože může způsobit interference při atomizaci v peci.

B) Kalibrace a standardní křivky

Stejně jako ostatní analytickétechniky vyžaduje atomová absorpční spektrometrie pečlivou kalibraci. EPAQA/QC vyžaduje kalibraci prostřednictvím několika kroků včetně interferenčních kontrolních vzorků, ověření kalibrace, kalibračních standardů, kontroly neostrosti a lineárního dynamického rozsahu.

Idealizovaná kalibrační nebo standardní křivka je dána Beerovým zákonem, že absorbance absorbujícího analytu je úměrná jehokoncentraci.

Naneštěstí obvykle dochází k odchylkám od linearity, zejména při zvyšování koncentrace kovových analytů z různých důvodů, jako je neabsorbované záření, rozptýlené světlo nebo neúměrný rozklad molekul při vysokýchkoncentracích. Na obrázku 3 je znázorněna idealizovaná a odchylka křivky odezvy. zakřivení by mohlo být minimalizováno, i když se mu nelze zcela vyhnout. Je žádoucí pracovat v rozsahu linearity odezvy. Platí pravidlo, že by mělo být připraveno minimálně pět standardů a slepý pokus, aby byl k dispozici dostatek informací pro vhodné přizpůsobení standardní křivky.

Je třeba konzultovat s výrobci, zda je pro konkrétní přístroj k dispozici funkce ruční korekce zakřivení.

Obrázek 3. Idealizovaná/odchylková křivka odezvy

Pokud je koncentrace vzorku příliš vysoká na to, aby umožnila přesnou analýzu v lineárním rozsahu odezvy, existují tři alternativy, které mohou pomoci dostat absorbanci do optimálního pracovního rozsahu:

1) ředění vzorku

2)použití alternativní vlnové délky s nižší absorbancí

3)snížení délky dráhy otáčením ruky hořáku.

C) Metoda EPA pro analýzu kovů

Metody atomové absorpce plamenem se označují jako stanovení přímou aspirací. Obvykle se provádějí jako analýzy jednotlivých prvků a jsou relativně prosté interelementárních interferencí. U některých prvků je rozhodující teplota nebo typ použitého plamene. Pokud nejsou plamen a analytické podmínky správně použity, může dojít k chemickým a ionizačním interferencím.

Atomová absorpční spektrometrie v grafitové peci nahrazuje plamen elektricky vyhřívanou grafitovou pecí. Hlavní výhodou této techniky je, že detekční limit může být extrémně nízký. Je použitelná pro relativně čisté vzorky, avšak skutečným problémem mohou být interference. Je důležité, aby analytik vytvořil soubor analytického protokolu, který je vhodný pro analyzovaný vzorek a pro požadované informace. Tabulka 2 uvádí dostupné metody pro analýzu různých kovů uvedené v příručce EPA SW-846.

D) Interference

Protože koncentrace analyzovaného prvku se považuje za úměrnou atomu základního stavu v plameni, lze jakýkoli faktor, který ovlivňuje populaci základního stavu analyzovaného prvku, klasifikovat jako interferenci. Faktory, které mohou ovlivnit schopnost přístroje odečítat tento parametr, lze rovněž klasifikovat jako rušení. Mezi nejčastější interference patří následující:

A) Spektrální interferencejsou způsobeny zářením překrývajícím záření světelného zdroje. Interferenčním zářením může být emisní čára jiného prvku nebo sloučeniny nebo obecné záření pozadí z plamene, rozpouštědla nebo analytického vzorku. K tomu obvykle dochází při použití organických rozpouštědel, ale může k tomu dojít i při stanovení sodíku s přítomným hořčíkem, železa s mědí nebo železa s niklem.

B) Tvorba sloučenin, které nedisociují v plameni. Nejčastějším příkladem je tvorba fosforečnanů vápníku a stroncia.

C) Ionizaceanalytu snižuje signál. To se běžně stává u barya, vápníku,stroncia, sodíku a draslíku.

D) Interference matrice způsobené rozdíly mezi povrchovým napětím a viskozitou zkušebních roztoků a standardů.

E) Rozšíření aspektrální linie, ke kterému může dojít v důsledku řady faktorů. Nejčastějšími vlivy rozšiřování šířky čáry jsou:

1. Dopplerův jev

Tento jev vzniká proto, že atomy budou mít podél pozorované čáry různésložky rychlosti.

2. Lorentzův jev

Tento jev vzniká v důsledku koncentrace cizích atomů přítomných v prostředí emitujících nebo absorbujících atomů.

Velikost rozšíření se mění v závislosti na tlaku cizích plynůa jejich fyzikálních vlastnostech.

3. Lorentzův jev

Tento jev vzniká v důsledku koncentrace cizích atomů přítomných v prostředí emitujících nebo absorbujících atomů. Zhášecí efekt

V nízko-tlakovém spektrálním zdroji může v plamenech docházet ke zhášecím srážkám v důsledku přítomnosti molekul cizích plynů s vibračními hladinami velmi blízkými excitovanému stavu rezonanční čáry.

4. Zhášecí efekt

Přítomnost molekul cizích plynů s vibračními hladinami velmi blízkými excitovanému stavu rezonanční čáry. Samoabsorpce neboli samoobrácený efekt

Atomy stejného druhu, jako je ten, který emituje záření, pohltí maximum záření ve středu čáry než na křídlech, což má za následek změnu tvaru čáry i její intenzity. Tento efekt se stává závažným, pokud je pára, která pohlcuje záření, podstatněchladnější než ta, která záření vyzařuje.

Top of the document

4. Při pohlcování záření je třeba počítat s tím, že záření je absorbováno. Návod k obsluze Spektrofotometru Perkin-Elmer Model 460

Instalace lampy

Zapalování plynu

Seřízení hořáku

Kalibrace

5. Zdroje atomové absorpce.

EPA dokument SW-846 „Testovací metody pro hodnocení pevných odpadů“.

Učebnice:

Haswell, S.J., 1991. Atomová absorpční spektrometrie; teorie, konstrukce a aplikace. Elsevier, Amsterdam.

Reynolds, R.J. et al., 1970.Atomová absorpční spektroskopie. Barnes & Noble Inc, New York.

Schrenk, W.G., 1975. AnalyticalAtomic Spectroscopy. Plenum Press, New York.

Varma, A., 1985. Handbook of AtomicAbsorption Analysis (Příručka atomové absorpční analýzy). Vol. I. CRC Press, Boca Raton.

Vědeckéčasopisy vztahující se k atomové absorpční spektroskopii:

Journal ofAnalytical Atomic Spectrometry

Vydává: Královská společnost pro chemii

SpectrochimicaActa Part B: Atomic Spectroscopy

Vydává: Elsevier Science