Tabelul 1 Metoda EPA de prelucrare a probelor pentru analiza elementelor metalice

Spectroscopia de absorbție atomică

ElenaSevostianova

Studiul spectrelor de absorbție prin trecerea radiației electromagnetice printr-un mediu atomic care este absorbant selectiv; acest lucru produce tranziții electronice pure, fără tranziții vibraționale și rotaționale

(Academic Press Dictionary of Science and Technology)

1. Introducere

2. Instrumentație

3. Tehnici de măsurare și metode EPA care utilizează FAAS

4. Instrucțiuni de utilizare a spectrofotometrului Perkin-ElmerModelul 460

5. Resurse privind absorbția atomică

1. Introducere.

Figura1. Elementele detectabile prin absorbție atomică sunt evidențiate în roz în acest tabel periodic

Metodele de absorbție atomică măsoară cantitatea de energie (sub formă de fotoni de lumină și, prin urmare, modificarea lungimii de undă) absorbită de probă. Mai exact, un detector măsoară lungimile de undă ale luminii transmise de probă (lungimile de undă „după”) și le compară cu lungimile de undă care au trecut inițial prin probă (lungimile de undă „înainte”). Un procesor de semnale integrează apoi modificările lungimilor de undă, care apar în afișaj ca vârfuri de absorbție de energie la lungimi de undă discrete (a se vedea schema unui experiment de absorbție atomică).

Care atom are propriul model distinct de lungimi de undă la care va absorbi energie, datorită configurației unice a electronilor din învelișul său exterior. Acest lucru permite analiza calitativă a unui eșantion pur.

Pentru a spune cât de mult dintr-un element cunoscut este prezent într-un eșantion, trebuie mai întâi să se stabilească o bază de comparație folosind cantități cunoscute. Acest lucru se poate face producând o curbă de calibrare. Pentru acest proces, se selectează o lungime de undă cunoscută, iar detectorul va măsura numai energia emisă la acea lungime de undă. Cu toate acestea, pe măsură ce concentrația atomului țintă din eșantion crește, absorbția va crește, de asemenea, proporțional. Astfel, se execută o serie de concentrații cunoscute ale unui compus și se înregistrează gradul corespunzător de absorbție, care este un procent invers de lumină transmisă. Se poate trasa apoi o linie dreaptă între toate punctele cunoscute.Din această linie, se poate extrapola concentrația substanței investigate din absorbția acesteia. Utilizarea unor surse de lumină speciale și selectarea specifică a lungimilor de undă permite determinarea cantitativă a componentelor individuale ale unui amestec multielementar.

Fenomenul de absorbție atomică (AA) a fost observat pentru prima dată în 1802, odată cu descoperirea liniilor Fraunhofer în spectrul solar. Abia în 1953, fizicianul australian Sir Alan Walsh a demonstrat că absorbția atomică poate fi folosită ca instrument analitic cantitativ. Analiza absorbției atomice presupune măsurarea absorbției luminii de către atomii vaporizați în stare fundamentală și raportarea absorbției la concentrație. Fasciculul de lumină incident este atenuat de absorbția vaporilor atomici în conformitate cu legea lui Beer.

Procesul de spectroscopie de absorbție atomică (AAS) implică două etape:

1. Atomizarea eșantionului

2. Absorbția radiației de la o sursă de lumină de către atomii liberi

Eșantionul, fie aliquid, fie solid, este atomizat fie într-o flacără, fie într-un cuptor de grafit. Până la absorbția luminii ultraviolete sau vizibile, atomii liberi suferă tranziții electronice de la starea fundamentală la stări electronice excitate.

Pentru a obține cele mai bune rezultate în AA, parametrii instrumentali și chimici ai sistemului trebuie să fie orientați spre producerea de atomi neutri în stare fundamentală ai elementului de interes. O metodă obișnuită este de a introduce o probă lichidă într-o flacără. După introducere, soluția de probă este dispersată într-un spray fin, spray-ul este apoi desolvat în particule de sare în flacără, iar particulele sunt ulterior vaporizate în atomi neutri, specii ionice și moleculare.Toate aceste procese de conversie au loc în regiuni definite geometric în flacără. Prin urmare, este important să setați parametrii instrumentului astfel încât lumina de la sursă (de obicei o lampă cu catod gol) să fie direcționată prin regiunea flăcării care conține un număr maxim de atomi neutri. Lumina produsă de lampa cu catod gol este emisă de atomii excitați ai aceluiași element care urmează să fie determinat. Prin urmare, energia radiantă corespunde direct cu lungimea de undă care poate fi absorbită de proba atomizată. Această metodă oferă atât sensibilitate, cât și selectivitate, deoarece, în general, alte elemente din eșantion nu absorb lungimea de undă aleasă și, prin urmare, nu interferează cu măsurarea. Pentru a reduce interferențele de fond, lungimea de undă de interes este izolată de un monocromator plasatîntre probă și detector.

Suspendarea documentului

2. Instrumentație

Figura 2. Spectrofotometru Perkin-Elmer Model460

În absorbția atomică (a se vedea schema unui experiment de absorbție atomică), există două metode de adăugare a energiei termice la o probă. Un cuptor de grafit AAS utilizează un tub de grafit cu un curent electric puternic pentru a încălzi proba. Inflamarea AAS (a se vedea fotografia de mai sus), aspirăm o probă într-o flacără cu ajutorul unui nebulizator. Flacăra este aliniată într-un fascicul de lumină cu lungimea de undă corespunzătoare. Flacăra (energie termică) face ca atomul să treacă de la starea fundamentală la prima stare excitată. Atunci când atomii fac tranziția, ei absorb o parte din lumina din fascicul. Cu cât soluția este mai concentrată, cu atât mai multă energie luminoasă este absorbită!

Fasciculul de lumină estegenerat de o lampă specifică pentru un metal țintă. Lampa trebuie să fieperfect aliniată astfel încât fasciculul să traverseze partea cea mai fierbinte a flăcării. Lumina care trece prin flacără este recepționată de monocromator, care este setat să accepteși să transmită radiația la lungimea de undă specificată și se deplasează în detector. Detectorul măsoară intensitatea fasciculului de lumină. Atunci când o parte din lumină este absorbită de metal, intensitatea fasciculului este redusă. Detectorul înregistrează această reducere ca absorbție. Aceastăabsorbție este afișată pe dispozitivul de ieșire de către sistemul de date.

Potem afla concentrațiile de metale dintr-o probă trecând o serie de etaloane de calibrare prin instrument. Instrumentul va înregistra absorbția generată de o anumită concentrație. Prin trasarea absorbției în funcție de concentrațiile etaloanelor, se poate trasa o curbă de calibrare. Se poate observa apoi absorbția pentru o soluție de probă și se poate folosi curba de calibrare pentru a determina concentrația în acea soluție

Suspendarea documentului

3. Tehnici de măsurare și EPMetode de utilizare a FAAS

Spectrometria de absorbție atomică este o metodă analitică destul de universală pentru determinarea elementelor metalice atunci când sunt prezente atât în concentrații de urme, cât și în concentrații majore. EPAfolosește această tehnică pentru determinarea concentrației de metale în probe dintr-o varietate de matrici.

A) Pregătirea probelor

În funcție deinformațiile necesare, se pot obține metale totale recuperabile, metale dizolvate, metale în suspensie și metale totale dintr-o anumită matrice de mediu. Tabelul 1 enumeră numărul metodei EPA pentru prelucrarea probelor în funcție de matricile de mediu și de informațiile necesare. Pentru informații mai detaliate, cititorii pot consulta documentul EPA SW-846 „Metode de testare pentru evaluarea deșeurilor solide”.

În aceste metode se utilizează o aciddigestie adecvată. Digestia cu acid clorhidric nu este adecvatăpentru probele, care vor fi analizate prin spectroscopie de absorbție atomică în cuptor de grafit, deoarece poate provoca interferențe în timpul atomizării în cuptor.

B) Calibrarea și curbele standard

Ca și alte tehnici analitice, spectrometria de absorbție atomică necesită o calibrare atentă. EPAQA/QC cere calibrarea prin mai multe etape, inclusiv eșantionul de control al interferențelor, verificarea calibrării, standardele de calibrare, controlul fadului și intervalul dinamic liniar.

Curba de calibrare idealizată sau curba standard este enunțată prin legea lui Beer, conform căreia absorbanța unui analit absorbant este proporțională cu concentrația acestuia.

Din păcate, apar de obicei abateri de la liniaritate, în special pe măsură ce concentrația analiților metalici crește din diverse motive, cum ar fi radiația neabsorbită, lumina difuză sau descompunerea disproporționată a moleculelor la concentrații ridicate. Figura 3 prezintă o curbă de răspuns idealizată și o deviere a curbei de răspuns. curbura ar putea fi minimizată, deși este imposibil de evitat complet. Este de dorit să se lucreze în intervalul de răspuns de liniaritate. Regula de bază este că ar trebui să se pregătească cel puțin cinci etaloane și un blanc pentru a avea suficiente informații pentru a ajusta curba standard în mod corespunzător.Producătorii ar trebui să fie consultați dacă este disponibilă o funcție de corecție manuală a curburii pentru un anumit instrument.

Figura 3. Curba de răspuns idealizată/deviație

Dacă concentrația probei este prea mare pentru a permite o analiză precisă în intervalul de răspuns de liniaritate, există trei alternative care pot ajuta la aducerea absorbanței în intervalul optim de lucru:

1) diluția eșantionului

2)utilizarea unei lungimi de undă alternative care are o absorptivitate mai mică

3)reducerea lungimii traseului prin rotirea mâinii arzătorului.

C) Metoda EPA pentru analiza metalelor

Metodele de absorbție atomică la flacără sunt denumite determinări prin aspirație directă. În mod normal, acestea se efectuează în mod normal ca analize ale unui singur element și sunt relativ lipsite de interferențe interelementale. Pentru unele elemente, temperatura sau tipul de flacără utilizat este critic. Dacă flacăra și condițiile analitice nu sunt utilizate corespunzător,pot apărea interferențe chimice și de ionizare.

Spectrometria de absorbție atomică în cuptor de grafit înlocuiește flacăra cu un cuptor de grafit încălzit electric. Avantajul major al acestei tehnici este că limita de detecție poate fi extrem de scăzută. Este aplicabilă pentru eșantioane relativ curate, cu toate acestea, interferențele pot fi o problemă reală. Este important ca analistul să stabilească un set de protocoale analitice adecvate pentru proba care urmează să fie analizată și pentru informațiile necesare. Tabelul 2 enumeră metodele disponibile pentru analiza diferitelor metale prevăzute în manualul SW-846 al EPA.

D) Interferențe

Din moment ce se consideră că concentrațiaelementului analizat este proporțională cu atompopulația de stare fundamentală din flacără, orice factor care afectează populația de stare fundamentală a elementului de analizat poate fi clasificat ca interferență. Factorii care pot afecta capacitatea instrumentului de a citi acest parametru pot fi, de asemenea, clasificați ca interferență. Următoarele sunt cele mai frecvente interferențe:

A) Interferențele spectrale sunt datorate radiației care se suprapune peste cea a sursei de lumină. Radiația de interferență poate fi o linie de emisie a unui alt element sau compus sau o radiație generală de fond din flacără, solvent sau eșantion analitic. Acest lucru apare de obicei atunci când se utilizează solvenți organici, dar se poate întâmpla și la determinarea sodiului în prezența magneziului, a fierului cu cupru sau a fierului cu nichel.

B) Formarea de compuși care nu se disociază în flacără. Cel mai frecvent exemplu este formarea fosfaților de calciu și de stronțiu.

C) Ionizarea analitului reduce semnalul. Acest lucru se întâmplă frecvent în cazul bariului, calciului,stronțiului, sodiului și potasiului.

D) Interferențe de matrice datorate diferențelor dintre tensiunea superficială și vâscozitatea soluțiilor de testare și standardele.

E) lărgirea liniei aspectrale, care poate apărea din cauza unui număr de factori. Cele mai frecvente efecte de lărgire a lățimii liniei sunt:

1. Efectul Doppler

Acest efect apare deoarece atomii vor avea diferitecomponente de viteză de-a lungul liniei de observație.

2. Efectul Lorentz

Acest efect apare ca urmare a concentrației de atomi străini prezenți în mediul atomilor emițători sau absorbanți.Magnitudinea lărgirii variază în funcție de presiunea gazelor străine și de proprietățile fizice ale acestora.

3. Efectul de stingere

Într-o sursă spectrală de joasă presiune, coliziunea de stingere poate avea loc în flăcări ca rezultat al prezenței moleculelor de gaze străine cu niveluri de vibrație foarte apropiate de starea excitată a liniei de rezonanță.

4. Efectul de autoabsorbție sau de autoreversie

Atomii de același fel cu cel care emite radiația vorabsorbi maximum de radiație în centrul liniei decât la aripi, ceea ce duce la schimbarea formei liniei, precum și a intensității acesteia. Acest efectdevine grav dacă vaporul care absoarbe radiația este considerabil mai rece decât cel care emite radiația.

Top of the document

4. Instrucțiuni de utilizare a spectrofotometrului Perkin-ElmerSpectrofotometru model 460

Instalarea lămpii

Aprinderea gazului

Alinierea arzătorului

Calibrarea

5. Resurse de absorbție atomică.

Documentul EPA SW-846 „Test methods for evaluingsolid wastes”.

Cărți de specialitate:

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

Reynolds, R.J. et al., 1970.Atomic Absorption Spectroscopy. Barnes & Noble Inc., New York.

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

Varma, A., 1985. Handbook of AtomicAbsorption Analysis (Manual de analiză prin absorbție atomică). Vol. I. CRC Press, Boca Raton.

Jurnale științifice înrudite cu Atomic Absorption Spectroscopy:

Journal ofAnalytical Atomic Spectrometry

Published by: Royal Society ofChemistry

SpectrochimicaActa Part B: Atomic Spectroscopy

Published by: Royal Society ofChemistry

Published by: Elsevier Science