1. táblázat EPA-mintakezelési módszer fémelemek elemzéséhez

Atomabszorpciós spektroszkópia

ElenaSevostianova

Az abszorpciós spektrumok vizsgálata elektromágneses sugárzás szelektíven elnyelő atomi közegen való áthaladásával; ez tiszta elektronikus átmeneteket eredményez, amelyek mentesek a rezgési és forgási átmenettől

(Academic Press Dictionary of Science and Technology)

1. Bevezetés

2. Műszerek

3. Méréstechnikák és EPA módszerek FAAS használatával

4. A Perkin-Elmer spektrofotométerModell 460

5. Használati utasítás

. Atomabszorpciós források

1. Bevezetés.

Ábra1. Az atomelnyeléssel kimutatható elemek rózsaszínnel vannak kiemelve ebben a periódusos rendszerben

Az atomelnyelési módszerek a minta által elnyelt energia mennyiségét (fényfotonok formájában, és ezáltal a hullámhossz változását) mérik. Pontosabban, egy detektor megméri a minta által áteresztett fény hullámhosszát (az “utána” hullámhossz), és összehasonlítja azokat azokkal a hullámhosszokkal, amelyek eredetileg áthaladtak a mintán (az “előtte” hullámhossz). A jelfeldolgozó ezután integrálja a hullámhossz-változásokat, amelyek a kijelzőn az energiaelnyelés külön hullámhosszúságú csúcsaiként jelennek meg (lásd egy atomabszorpciós kísérlet vázlatát).

Minden atomnak megvan a saját hullámhosszúsága, amelyen energiát fog elnyelni, a külső héjban lévő elektronok egyedi konfigurációja miatt. Ez lehetővé teszi a tiszta minta minőségi elemzését.

Hogy meg tudjuk mondani, hogy egy ismert elemből mennyi van jelen egy mintában, először meg kell teremteni az összehasonlítási alapot ismert mennyiségek segítségével. Ezt egy kalibrációs görbe előállításával lehet megtenni. Ehhez az eljáráshoz kiválasztunk egy ismert hullámhosszt, és a detektor csak az adott hullámhosszon kibocsátott energiát méri. A célatom koncentrációjának növekedésével a mintában azonban az abszorpció is arányosan növekszik. Így valamilyen vegyület ismert koncentrációinak sorozatát futtatjuk le, és rögzítjük az abszorbancia megfelelő mértékét, amely az áteresztett fény fordított százalékos arányát jelenti. Ezután az összes ismert pont között egyenes vonalat lehet húzni, amelyből az abszorbancia alapján extrapolálni lehet a vizsgált anyag koncentrációját. Speciális fényforrások használata ésspecifikus hullámhosszválasztás lehetővé teszi egy többelemes keverék egyes összetevőinek mennyiségi meghatározását.

Az atomabszorpció (AA) jelenségét először 1802-ben figyelték meg a Fraunhofer-vonalak felfedezésével a Nap spektrumában. Csak 1953-ban mutatta be Sir Alan Walsh ausztrál fizikus, hogy az atomelnyelés kvantitatív analitikai eszközként használható. Az atomabszorpciós elemzés során megmérik a fény elnyelését az elpárolgott alapállapotú atomok által, és az abszorpciót a koncentrációval hozzák összefüggésbe. A beeső fénysugarat az atomgőzök elnyelése a Beer-törvénynek megfelelően gyengíti.

Az atomabszorpciós spektroszkópia (AAS) folyamata két lépésből áll:

1. A minta atomizálása

2. A fényforrásból származó sugárzás abszorpciója a szabad atomok által

A mintát, legyen az folyadék vagy szilárd anyag, lángban vagy grafitkemencében atomizálják. Az ultraibolya vagy látható fény elnyelése után a szabad atomok elektronikai átmeneteken mennek át az alapállapotból gerjesztett elektronállapotba.

Az AA-ban a legjobb eredmények eléréséhez a rendszer műszeres és kémiai paramétereit úgy kell beállítani, hogy az adott elem semleges alapállapotú atomjait hozzák létre. Egy gyakori módszer a folyékony minta lángba történő bevezetése. A bevezetés után a mintaoldat finom permetben diszpergálódik, a permet ezután sórészecskékké oldódik a lángban, és a részecskék ezt követően semleges atomokká, ionos fajokká és molekuláris fajokká párolognak el.Mindezek az átalakulási folyamatok a láng geometrikusan meghatározható régióiban játszódnak le. Ezért fontos a műszer paramétereit úgy beállítani, hogy a forrásból (általában üreges katódlámpából) érkező fény a láng azon régióján keresztül haladjon, amely a legnagyobb számú semleges atomot tartalmazza. Az üreges katódlámpa által kibocsátott fényt ugyanannak a meghatározandó elemnek a gerjesztett atomjai bocsátják ki. Ezért a sugárzási energia közvetlenül megfelel annak a hullámhossznak, amelyet az atomizált minta elnyel. Ez a módszer érzékenységet és szelektivitást is biztosít, mivel a mintában lévő egyéb elemek általában nem nyelik el a kiválasztott hullámhosszt, és így nem zavarják a mérést. A háttérinterferencia csökkentése érdekében a kívánt hullámhosszt a minta és a detektor között elhelyezett monokromátorral izolálják.

A dokumentum teteje

2. Műszerek

2. ábra. Perkin-Elmer Spectrophotometer Model460

Az atomabszorpcióban (lásd egy atomabszorpciós kísérlet vázlatát) kétféle módon adhatunk hőenergiát a mintához. A grafitkemencés AAS egy grafitcsövet használ erős elektromos árammal a minta felmelegítésére. A láng AAS (lásd a fenti képet) során a mintát egy porlasztó segítségével lángba szívjuk. A lángot a megfelelő hullámhosszúságú fénysugárba soroljuk. A láng (hőenergia) hatására az atom átmegy az alapállapotból az első gerjesztett állapotba. Amikor az atomok átmenetet hajtanak végre, elnyelik a fénysugár fényének egy részét. Minél koncentráltabb az oldat, annál több fényenergiát nyelnek el!

A fénysugarat a célfémre jellemző lámpa generálja. A lámpát tökéletesen ki kell igazítani, hogy a fénysugár a láng legforróbb részén haladjon át. A lángon áthaladó fényt a monokromátor fogadja, amely úgy van beállítva, hogy a meghatározott hullámhosszúságú sugárzást fogadja és továbbítsa, és a detektorba jut. A detektor méri a fénysugár intenzitását. Amikor a fény egy részét a fém elnyeli, a sugár intenzitása csökken. A detektor ezt a csökkenést abszorpcióként rögzíti. Ezt az abszorpciót az adatrendszer a kimeneti eszközön jeleníti meg.

Megállapíthatjuk a fémek koncentrációját egy mintában, ha egy sor kalibrációs standardot végigfuttatunk a műszeren. A műszer rögzíti az adott koncentráció által generált abszorpciót. Az abszorpciót a standardok koncentrációjának függvényében ábrázolva kalibrációs görbe rajzolható. Ezután megnézhetjük egy mintaoldat abszorpcióját, és a kalibrációs görbék segítségével meghatározhatjuk az adott

A dokumentum teteje

3. Mérési technikák és EPAMódszerek FAAS használatával

Az atomabszorpciós spektrometria meglehetősen általános analitikai módszer a fémelemek meghatározására, ha mind nyomokban, mind nagyobb koncentrációban vannak jelen. Az EPA ezt a technikát alkalmazza a fémkoncentráció meghatározására különböző mátrixokból származó mintákban.

A) Mintaelőkészítés

A szükséges információtól függően egy adott környezeti mátrixból kinyerhető összes visszanyerhető fém, oldott fém, szuszpendált fém és összes fém. Az 1. táblázat felsorolja a mintafeldolgozás EPA-módszerének számát a környezeti mátrixok és a szükséges információk szempontjából. Részletesebb információért az olvasók hivatkozhatnak az EPA SW-846 “Test methods for evaluating solid wastes” (Szilárd hulladékok értékelésének vizsgálati módszerei) című dokumentumára.

Ezekben a módszerekben megfelelő savas emésztést alkalmaznak. A sósavas emésztés nem alkalmas olyan mintákra, amelyeket grafitkemencés atomabszorpciós spektroszkópiával elemeznek, mert interferenciát okozhat a kemence porlasztása során.

B) Kalibrálás és standard görbék

Amint más analitikai technikák esetében, az atomabszorpciós spektrometria is gondos kalibrálást igényel. Az EPAQA/QC több lépésen keresztül történő kalibrálást követel meg, beleértve az interferencia ellenőrző mintát, a kalibrációs ellenőrzést, a kalibrációs standardokat, a bland ellenőrzést és a lineáris dinamikai tartományt.

Az idealizált kalibrációs vagy standard görbét a Beer-törvény alapján állapítják meg, hogy az abszorbens analit abszorbanciája arányos a koncentrációjával.

A linearitástól való eltérések sajnos általában előfordulnak, különösen a fémanalitok koncentrációjának növekedésével, ami különböző okokra vezethető vissza, mint például az el nem nyelt sugárzás, a szórt fény vagy a molekulák aránytalan bomlása nagy koncentrációban. A 3. ábra egy idealizált és a válaszgörbe eltérését mutatja.A görbületet minimalizálni lehet, bár teljesen elkerülni lehetetlen. Kívánatos, hogy a lineáris válasz tartományban dolgozzunk. Ökölszabály, hogy legalább öt standardot és egy vakpróbát kell készíteni, hogy elegendő információ álljon rendelkezésre a standardgörbe megfelelő illesztéséhez.A gyártókkal kell konzultálni, ha egy adott műszerhez kézi görbületkorrekciós funkció áll rendelkezésre.

3. ábra. Idealizált/eltérés-válaszgörbe

Ha a mintakoncentráció túl magas ahhoz, hogy a linearitás-választartományban pontos elemzést lehessen végezni, három alternatíva létezik, amelyek segíthetnek az abszorbanciát az optimális munkatartományba hozni:

1) a minta hígítása

2)alacsonyabb abszorpciós képességű alternatív hullámhossz használata

3)az út hosszának csökkentése az égő kéz elforgatásával.

C) EPA-módszer a fémanalízisre

A láng atomabszorpciós módszereket közvetlen aspirációs meghatározásnak nevezik. Ezeket általában egyelemes elemanalízisként végzik, és viszonylag mentesek az interelemspektrális interferenciáktól. Néhány elem esetében az alkalmazott láng hőmérséklete vagy típusa kritikus. Ha a lángot és az analitikai feltételeket nem megfelelően alkalmazzák, kémiai és ionizációs interferenciák léphetnek fel.

A grafitkemencés atomabszorpciós spektrometria a lángot egy elektromosan fűtött grafitkemencével helyettesíti. Ennek a technikának a fő előnye, hogy a kimutatási határ rendkívül alacsony lehet. Viszonylag tiszta minták esetén alkalmazható, azonban az interferenciák valódi problémát jelenthetnek. Fontos, hogy az elemző olyan analitikai protokollt állítson össze, amely megfelel az elemzendő mintának és a kívánt információnak. A 2. táblázat felsorolja az EPA SW-846 kézikönyvében a különböző fémek elemzésére rendelkezésre álló módszereket.

D) Interferenciák

Mivel az elemzett elem koncentrációja arányosnak tekinthető a lángban lévő alapállapotú atompopulációval, minden olyan tényező, amely befolyásolja az elemzett elem alapállapotú populációját, interferenciának minősíthető. Azok a tényezők, amelyek befolyásolhatják a műszer azon képességét, hogy leolvassa ezt a paramétert, szintén interferenciának minősíthetők. A következők a leggyakoribb interferenciák:

A) A spektrális interferenciák a fényforrás sugárzásának átfedéséből adódnak. A zavaró sugárzás lehet egy másik elem vagy vegyület emissziós vonala, vagy a láng, az oldószer vagy az analitikai minta általános háttérsugárzása. Ez általában szerves oldószerek használatakor fordul elő, de előfordulhat nátrium meghatározásakor magnézium jelenlétével, vas és réz vagy vas és nikkel együtt.

B) A lángban nem disszociáló vegyületek képződése. A leggyakoribb példa a kalcium- és stroncium-foszfátok képződése.

C) Az analit ionizációja csökkenti a jelet. Ez általában a báriummal, kalciummal, stronciummal, nátriummal és káliummal történik.

D) Mátrixinterferenciák a vizsgálati oldatok és a standardok felületi feszültsége és viszkozitása közötti különbségek miatt.

E) Az aspektusvonal kiszélesedése, amely számos tényező miatt következhet be. A leggyakoribb vonalszélesség-szélesítő hatások a következők:

1. Doppler-effektus

Ez a hatás azért keletkezik, mert az atomok a megfigyelési vonal mentén különböző sebességkomponensekkel rendelkeznek.

2. Lorentz-effektus

Ez a hatás a kibocsátó vagy elnyelő atomok környezetében jelen lévő idegen atomok koncentrációja miatt lép fel.A szélesedés nagysága az idegen gázok nyomásától és fizikai tulajdonságaitól függően változik.

3. Lorentz-effektus

2. Lorentz-effektus

3. Lorentz-effektus

3. Quenching-hatás

Kisnyomású spektrumforrásban a lángokban a rezonancia vonal gerjesztett állapotához nagyon közeli rezgésszintű idegen gázmolekulák jelenléte miatt quenching-ütközés következhet be.

4. Önelnyelés vagy önvisszafordító hatás

A sugárzással azonos fajtájú atomok a vonal közepén maximálisan elnyelik a sugárzást, mint a szárnyakon, ami a vonal alakjának és intenzitásának megváltozását eredményezi. Ez a hatás akkor válik súlyossá, ha a sugárzást elnyelő gőz lényegesen hidegebb, mint a sugárzást kibocsátó gőz.

A dokumentum teteje

4. A Perkin-ElmerSpektrofotométer 460-as modelljének kezelési útmutatója

Lámpa felszerelése

Gázgyújtás

Elégő beállítása

Kalibrálás

5. Atomabszorpciós források.

EPA dokumentum SW-846 “Test methods for evaluatingsolid wastes”.

Tankönyvek:

Haswell, S.J., 1991. AtomicAbsorption Spectrometry; Theory, Design and Applications. Elsevier, Amsterdam.

Reynolds, R.J. et al., 1970.Atomabszorpciós spektroszkópia. Barnes & Noble Inc., New York.

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

Varma, A., 1985. Handbook of AtomicAbsorption Analysis. Vol. I. CRC Press, Boca Raton.

Az atomabszorpciós spektroszkópiával kapcsolatos tudományos folyóiratok:

Journal of Analytical Atomic Spectrometry

Published by: Royal Society ofChemistry

SpectrochimicaActa Part B: Atomic Spectroscopy

Published by: Elsevier Science