AAS- absorpcyjna spektrometria atomowa – opiera się na zjawisku absorpcji promieniowania elektromagnetycznego przez swobodne atomy. Absorpcję promieniowania elektromagnetycznego wykryto już na początku XIX wieku, kiedy to w widmie ciągłym światła słonecznego zaobserwowano ciemne linie nazwane liniami Fraunhofera.
Atomowa Spektrometria Absorpcyjna (ASA lub AAS – Atomic Absorption Spectrometry) – technika analityczna pozwalająca na oznaczanie pierwiastków chemicznych (przede wszystkim metali) w próbkach ciekłych, stałych i gazowych. Zasada pomiaru opiera się na zjawisku absorpcji promieniowania o specyficznej długości fali przez wolne atomy metali.
Procedura pomiarowa polega na wprowadzeniu próbki do aparatu atomizerem, pomiarze absorbancji i obliczeniu na jej podstawie stężenia. ASA jest metodą wymagającą wykonania krzywej wzorcowej przed przystąpieniem do pomiarów. Niezbędne jest również posiadanie odpowiedniej lampy dla każdego oznaczanego pierwiastka.
BUDOWA SPEKTOMETRU ASA / ELEMENTY SKŁADOWE
ZASADA DZIAŁANIA SPEKTOMETRU ASA
Pierwiastki metaliczne występują z reguły w postaci związków organicznych lub nieorganicznych, zatem do wywołania zjawiska absorpcji należy przeprowadzić je w stan atomowy - stan pary zdolny do absorpcji promieniowania (poziomy energetyczne w atomach pierwiastka mają określoną wartość tylko w stanie gazowym). Ze względu na czułość i selektywność metody korzystne jest, aby wszystkie lub przynajmniej zdecydowana większość atomów znajdowała się w swoim stanie podstawowym. Gdy stosuje się plazmy niskotemperaturowe (temperatura od 1000K do 4000K uzyskiwana w płomieniu i kuwetach grafitowych), większość atomów znajduje się w stanie podstawowym, niezalenie od tego czy pierwiastek wzbudza się łatwo (np. sód), czy trudno (np. cynk).
Zasada pomiarów metodą AAS polega na tym, że linia rezonansowa oznaczanego pierwiastka o natężeniu I0, emitowana ze źródła promieniowania przechodzi przez atomizer, w którym jest absorbowana przez obecne tam wolne atomy. Ta część promieniowania (linii rezonansowej), która nie została pochłonięta przez wolne atomy, dociera poprzez monochromator do detektora, który mierzy jej natężenie (I). Porównanie I i I0 daje absorbancję proporcjonalną do stężenia oznaczanego pierwiastka
Zasada pomiarów metodą AAS polega na tym, że linia rezonansowa oznaczanego pierwiastka o natężeniu I0 , emitowana ze źródła promieniowania przechodzi przez atomizer, w którym jest absorbowana przez obecne tam wolne atomy. Ta część promieniowania (linii rezonansowej), która nie została pochłonięta przez wolne atomy, dociera poprzez monochromator do detektora, który mierzy jej natężenie (I). Porównanie I i I0 daje absorbancję proporcjonalną do stężenia oznaczanego pierwiastka
TECHNIKI ATOMIZACJI STOSOWANE W METODZIE ASA C- OPIS ATOMIZERÓW, PORÓWNANIE DZIAŁANIA
Lampy bezelektrodowe (Electrodeless Discharge Lamp - EDL) ze wzbudzeniem wysoką częstotliwością są to wąskie, zamknięte rurki kwarcowe zawierające wewnątrz warstwę metalu, który ma być oznaczony lub/i warstwę soli tego pierwiastka (1 - 2 mg). Rurka wypełniona jest gazem szlachetnym (Ar, Ne) pod zmniejszonym ciśnieniem (0,2 - 0,8 hPa). Atomizację i wzbudzenie uzyskuje się przez działanie pola elektromagnetycznego o wysokiej częstotliwości. Lampy bezelektrodowe charakteryzują się dobrymi parametrami (natężenie linii i szerokość połówkowa) i są bardzo trwałe. Produkuje się je głównie dla pierwiastków, dla których nie można zbudować lamp HCL - Sb,As, Se,Te, P, Hg, Bi, Cs,Ge, K, Rb,Tl.
Atomizery
Zadaniem atomizerów jest otrzymywanie z dużą, powtarzalną wydajnością wolnych atomów z próbek analitycznych. Im większa wydajność wolnych atomów w stanie podstawowym, odniesiona do badanej próbki, tym większa czułość metody analitycznej. W procesie atomizacji musi występować prosta proporcjonalność między stężeniem oznaczanej substancji w próbce a stężeniem atomów w plazmie absorpcyjnej. Wytworzone atomy powinny w jak najmniejszym stopniu ulegać wzbudzeniu i jonizacji. Atomizacja próbki wymaga doprowadzenia energii, co realizowane jest różnymi metodami. Najczęściej stosuje się:
· atomizację płomieniową (F - AAS),
· atomizację bezpłomieniową (ET - AAS) obejmującą takie techniki jak: elektryczne ogrzewanie oporowe rurki grafitowej (piec Massmanna), atomizacja w łuku prądu zmiennego (kuwety grafitowe Lwowa), bombardowanie powierzchni metalicznej elektronami, odparowywanie laserowe,
· atomizery wykorzystujące zimne pary rtęci (CV -AAS),
· atomizery wodorkowe (HG - AAS).
Atomizer płomieniowy. Atomizacja płomieniowa wymaga przeprowadzenia ciekłej próbki analitycznej w aerozol. Aerozol uzyskuje się najczęściej w nebulizerze pneumatycznym. W komorze nebulizera analizowany roztwór przeprowadza się w delikatną mgłę (aerozol), następnie miesza aerozol z gazem palnym i wprowadza jednorodnie do palnika z zastosowaniem powierzchni rozpryskowych lub sit dla odrzucenia lub rozbicia większych kropel. Gazem zasysającym próbkę jest zawsze gaz utleniający. Mieszanina rozpuszczalnika, próbki, gazów utleniającego i palnego wprowadzana jest do palnika szczelinowego o długości 5 – 10 cm i szerokości 0,5 – 1,5 mm.
Płomienie palnika muszą dostarczać energii wystarczającej do przeprowadzenia roztworu w wolne atomy. Sam płomień powinien absorbować tylko niewielką część promieniowania emitowanego przez źródło. Stosowane w metodzie AAS mieszaniny gazów to gaz miejski-powietrze (T = 1980 K), propan-butan-powietrze (T = 2200 K), acetylen-powietrze (T = 2600 K), acetylen-tlen (T = 3300 K), acetylen-tlenek azotu (I) (T 3220 K), wodór-powietrze (T= 2275 K) oraz wodór-tlen (T = 2825 K).
Atomizer płomieniowy. Atomizacja płomieniowa wymaga przeprowadzenia ciekłej próbki analitycznej w aerozol. Aerozol uzyskuje się najczęściej w nebulizerze pneumatycznym. W komorze nebulizera analizowany roztwór przeprowadza się w delikatną mgłę (aerozol), następnie miesza aerozol z gazem palnym i wprowadza jednorodnie do palnika z zastosowaniem powierzchni rozpryskowych lub sit dla odrzucenia lub rozbicia większych kropel. Gazem zasysającym próbkę jest zawsze gaz utleniający. Mieszanina rozpuszczalnika, próbki, gazów utleniającego i palnego wprowadzana jest do palnika szczelinowego o długości 5 – 10 cm i szerokości 0,5 – 1,5 mm. Płomienie palnika muszą dostarczać energii wystarczającej do przeprowadzenia roztworu w wolne atomy. Sam płomień powinien absorbować tylko niewielką część promieniowania emitowanego przez źródło. Stosowane w metodzie AAS mieszaniny gazów to gaz miejski-powietrze (T = 1980 K), propan-butan-powietrze (T = 2200 K), acetylen-powietrze (T = 2600 K), acetylen-tlen (T = 3300 K), acetylen-tlenek azotu (I) (T 3220 K), wodór-powietrze (T= 2275 K) oraz wodór-tlen (T = 2825 K).
Atomizery bezpłomieniowe. Atomizery bezpłomieniowe stosuje się dla ominięcia rozcieńczania próbek oraz uniknięcia wpływu matrycy. Najczęściej stosowanym sposobem atomizacji bezpłomieniowej jest atomizacja elektrotermiczna w kuwecie (rurce) grafitowej (piec Massmanna). Kuwety są to rurki grafitowe o dł. 20 – 50 mm i średnicy wewnętrznej 4 – 6 mm. Powierzchnia rurki pokryta jest warstwą grafitu pirolitycznego, co zapobiega dyfuzji atomów w głąb ścianek. Próbkę stałą lub ciekłą wprowadza się bezpośrednio do rurki grafitowej lub na specjalną płytkę grafitową (platforma Lwowa), która znajduje się w atmosferze bardzo czystego gazu obojętnego, najczęściej argonu. Ogrzewanie elektryczne, oporowe lub indukcyjne, odbywa się w sposób programowany, sterowany za pomocą komputera. Cykl pomiarowy składa się odparowania rozpuszczalnika, mineralizacji próbki (piroliza) i atomizacji, czyli przeprowadzenia oznaczanej substancji do plazmy termicznej w postaci wolnych atomów.
Zaletami atomizacji elektrotermicznej są m.in. możliwość oddzielenia pierwiastka od składników matrycy, warunki sprzyjające atomizacji trwałych termicznie tlenków oraz całkowita, jednorazowa atomizacja wprowadzonej próbki z dużą wydajnością (w płomieniowejAAS – tylko kilka procent).
Atomizery wodorkowe. Zdolność tworzenia łatwo lotnych wodorków przez niektóre pierwiastki (Se, Te, As, Sb, Bi, Ge, Sn, Pb) wykorzystano do uwolnienia ich od matrycy. Wodorki tworzy się w reakcji z silnymi substancjami redukującymi, np. z borowodorkiem sodu w środowisku kwaśnym, następnie czyste wodorki wypłukuje się wodorem z mieszaniny reakcyjnej i wprowadza do kwarcowej kuwety pomiarowej, ogrzewanej płomieniem lub elektrycznie do temperatury ok. 1000ºC. W tej temperaturze wodorki ulegają rozpadowi na wolne atomy i gazowy wodór (atomizacja). Atomizery wykorzystujące zimne pary rtęci. Stężenie par rtęci powietrzu w temperaturze 300 K może wynosić ok. 20 ng/cm3 i jest to wystarczające stężenie do oznaczenia rtęci metodą AAS. Rtęć w postaci jonów Hg2+ w roztworach można zredukować za pomocą Sn2+ i wolną rtęć wypłukać z mieszaniny reakcyjnej argonem. Rtęć w gazach można zatężyć na wacie złotej; z podgrzanego do 700 - 800 K amalgamatu rtęć ulega desorpcji i może być przeniesiona do kuwety pomiarowej w strumieniu argonu. Kuweta pomiarowa (absorpcyjna) to ogrzewana rurka szklana z okienkami kwarcowymi znajdująca się w osi optycznej spektrometru absorpcji atomowej.
INTERFERENCJE WYSTEPUJĄCE W METODZIE ASA
Zakłócenia podczas pomiarów i ich eliminacja. Metoda absorpcyjnej spektrometrii atomowej, podobnie jak inne metody instrumentalne, ograniczana jest zakłóceniami spowodowanymi obecnością w analizowanym roztworze substancji towarzyszących. Mogą one być przyczyną wielu błędów. Zakłócenia te (zwane interferencjami) można podzielić na trzy grupy:
· zakłócenia wynikające z nakładania się linii emisyjnych i absorpcyjnych analizowanych pierwiastków,
· zakłócenia wynikające z fizycznych właściwości roztworów i mające wpływ na wydajność nebulizacji,
· zakłócenia chemiczne powodowane zakłóceniami chemicznymi zachodzącymi w atomizerze.
Innym typem zakłóceń są interferencje chemiczne, przeważnie specyficzne dla poszczególnych pierwiastków. Nazywa się je często efektami matrycowymi, gdyż powodowane są składnikami matrycy.
PARAMETRY METROLOGICZNE
Specyficzność
Jedynie analit jest źródłem niezakłóconego sygnału analitycznego, zaś interferencję nie występują.
Zdolność jednoznacznego określenia substancji analitycznej w obecności składników, które mogą być zawarte w próbce.
Zdolność rozróżniania związków o podobnej strukturze.
Precyzja
Stopień zgodności między pojedynczymi wynikami analizy, gdy dana procedura jest stosowana dla wielokrotnie powtarzalnych, niezależnych oznaczeń jednorodnej próbki
Najczęściej miarą precyzji jest odchylenie standardowe S, względne odchylenie standardowe RSD lub współczynnik zmienności CV
Dokładność
Zgodność między wartoscią rzeczywistą (zawartością, stężeniem), a wartością będącą wynikiem analizy.
Miarą dokładności analitycznej jest wielkośc jej błędy systematycznego.
Metoda niedokładna może być obarczona błędem systematycznym stałym ( niezależnym od poziomu zawartości oznaczonego składnika) i zmiennym (zależnym od stężenia oznaczonego składnika)
Powinna być oszacowana na podstawie minimum 9 wyników oznaczeń dla minimum trzech różnych poziomów stężeń z badanego zakresu (np. trzykrotne oznaczenie dla trzech poziomów)
Najczęściej wynik przedstawia się jako błąd bezwzględny lub względny.
Selektywność
Stopień w jakim metoda pozwala oznaczyć badany anlit w obecności substancji interferujących
ZASTOSOWANIE
Podstawy Poziomy energii w atomach są specyficzne i determinowane przez liczby kwantowe pierwiastka. Jeśli atomy w stanie podstawowym zostaną wzbudzone to niektóre przechodzą na poziomy o wyższej energii, przy czym energie przejść są charakterystyczne dla pierwiastka. Jeśli długość fali lub częstość promieniowania odpowiada energii przejścia, to następuje absorpcja promieniowania.
Aparatura
Źródłem promieniowania jest często lampa z katodą wnękową (HCL). Jedna lampa pozwala na oznaczanie tylko jednego pierwiastka –stosowane źródeł ciągłych wymaga monochromatorów o bardzo dobrej rozdzielczości.
Metody atomizacji:
- W płomieniu
- Kuweta grafitowa
- Platforma Lwowa
Zastosowania
Próbki rolnicze, szczególnie analiz gleby – zanieczyszczenia wody i gleby często badane są technikami AAS
Oznaczenia kliniczne i biologiczne – np. oznaczenia sodu, potasu, litu i wapnia w osoczu i surowicy, a żelaza i ołowiu we krwi
Próbki metalurgiczne – w których oznacza się zanieczyszczenia
Oleje i próbki petrochemiczne – które analizuje się na zawartość metali w surowcach, a także w zużytych olejach
Próbki wody – są niezwykle ważne, bo zanieczyszczenia mogą stanowić zagrożenie dla zdrowia. Oznaczane najczęściej są nikiel, cynk, rtęć, ołów.
Beata25525