ATOMOWA SPEKTROMETRIA ABSORPCYJNA (ASA)

WSTĘP

Metody spektrometrii atomowej oparte są na interpretacji widm atomowych i zależności intensywności odpowiednich linii od ilości atomów oddziaływujących z energią.

Metody oparte na spektroskopii atomowej obejmują trzy różne techniki analityczne: emisję atomową, absorpcję atomową i fluorescencję atomową.

Metoda atomowej spektrometrii absorpcyjnej jest jedną z częściej stosowanych metod oznaczania śladowych zawartości pierwiastków. Metoda ta polega na pomiarze absorpcji promieniowania elektromagnetycznego przez wolne atomy utworzone najczęściej na drodze termicznej (1000 - 4000 K).

APARATURA

Typowy spektrometr ASA składa się z następujących elementów:

1. źródło charakterystycznego promieniowania liniowego;

2. atomizer;

3. monochromator;

4. detektor;

5. wzmacniacz;

6. rejestrator.

Rys.1. Schemat spektrometru absorpcji atomowej.

a) Źródło promieniowania charakterystycznego.

Źródła promieniowania powinny emitować linie stabilne o małej szerokości i dużym natężeniu. Do emisji charakterystycznych linii pierwiastków stosuje się:

• lampy z katodową wnęką (ang. HCL);

• lampy z wyładowaniem bezelektronowym (ang. EDL);

• lampa HCL o podwyższonej jasności.

b) Atomizery.

Atomizery przeprowadzają próbkę badaną w stan atomowy. Rozróżnia się następujące typy atomizerów:

• płomieniowe;

• elektrotermiczne (bezpłomieniowe);

• wodorowe - dla pierwiastków łatwo tworzących wodorki;

• zimnych par - dla oznaczania rtęci.

c) Monochromatory

W atomowej spektrometrii absorpcyjnej stosuje się najczęściej monochromatory typu siatkowego.

• siatka dyfrakcyjna;

• sitka dyfrakcyjna/pryzmat.

d) Detektor

Do pomiaru natężenia promieniowa najczęściej stosuje się fotopowielacze.

OPTYMALIZACJA POMIARÓW W AAS Z ATOMIZACJĄ ELEKTROTERMICZNĄ

Program czasowo temperaturowy oznaczania składa się z następujących etapów:

• Suszenie;

• Rozkład termiczny (piroliza, spopielanie);

• Chłodzenie (alternatywnie);

• Atomizacja;

• Czyszczenie;

• Chłodzenie (alternatywnie).

Sygnał analityczny otrzymuje się w postaci piku.

Suszenie

Próbka umieszczona w piecu jest ogrzewana do jak najniższej temperatury pozwalającej na całkowite odparowanie rozpuszczalnika. Zazwyczaj stosuje się temperaturę 100 - 120^oC, gdyż w wyższych temperaturach mogłoby nastąpić gwałtowne odparowanie powodujące rozpryskiwanie próbki. Korzystne jest stosowanie stałego wzrostu temperatury, co pozwala na stopniowe nagrzewanie pieca. W czasie suszenia wewnętrzny przepływ gazu utrzymywany jest na stałym poziomie 300 ml/min., umożliwiając usuwanie rozpuszczalnika.

Rozkład termiczny

Celem tego etapu jest selektywne odparowanie nieorganicznych i organicznych składników roztworu w jak najwyższej temperaturze, ale takiej, w której nie następuje jeszcze odparowanie metali atomów analitu. Często zalecany jest przepływ gazu obojętnego wynosi 300 ml/min., co pozwala na skuteczne usunięcie odparowanych składników matrycy.

Chłodzenie

Jest to etap polegający na obniżeniu temperatury bezpośrednio przed atomizacją.

Celem tego jest zwiększenie szybkości nagrzewania pieca (im większa różnica temperatur, tym szybsze nagrzewanie pieca). Dzięki temu, w chwili osiągnięcia temperatury atomizacji, w rurce uzyskuje się poszerzenie izotermicznego rozkładu temperatury. Wynikiem tego jest wzrost czułości i zredukowanie rozmycia sygnału. Etap ten jest stosowany przy oznaczeniu pierwiastków o stosunkowo niskich temp. wrzenia.

Atomizacja

Celem tego etapu jest wytworzenie chmury wolnych atomów oznaczanego pierwiastka zdolnych do absorpcji promieniowanie charakterystycznego. Dobór temperatury atomizacji zależy od właściwości analitu. Czas osiągnięcia maksymalnej temperatury powinien być jak najkrótszy.

Temperatura ta ustalana jest na takim poziomie, aby następowała dysocjacja odparowanych cząsteczek przy możliwie najdłuższym czasie przebywania atomów oznaczanego pierwiastka w kuwecie. Sprzyja temu obniżenie lub całkowite zatrzymanie przepływu gazu wewnętrznego (technika „gaz stop”).

Czyszczenie i chłodzenie

Po zakończeniu pomiaru piec grafitowy wygrzewa się jeszcze przez kilka sekund w wyższej temperaturze przy maksymalnym przepływnie gazu obojętnego (azot, argon lub hel), w celu usunięcia z kuwety oznaczanego pierwiastka oraz inne składniki próbki.

Następnie piec grafitowy chłodzi się przed następnym cyklem pomiarowym do temperatury pokojowej lub bliskiej wrzeniu rozpuszczalnika (np. 80^oC w przypadku wody jako rozpuszczalnika).

Główne rodzaje interferencji w GFAAS

Interferencje spektralne:

- absorpcja molekularna;

- rozpraszanie światła;

- bezpośrednie nakładanie się linii (np. Hg 253,652 nm i Co 253,649 nm);

- emisja własna kuwety grafitowej.

Interferencje chemiczne :

- interferencja w fazie stałej;

- interferencja w fazie ciekłej.

Interferencje chemiczne powstają:

* Na skutek powstawania lotnych form chemicznych analitu w etapie suszenia i spopielania

(powody: najczęściej obecność chlorowców w próbce, skutek: obniżenie czułości);

* Tworzenie się stabilnych węglików w reakcji z grafitem

(powód: reaktywność grafitu i wysoko - termiczna stabilność utworzonych węglików, skutek: mniejsza wydajność atomizacji.);

* Blokady powierzchni grafitu przez matrycę w etapie atomizacji

(powód: obecność matrycy w etapie atomizacji, skutek: zmiana wydajności atomizacji);

* Reakcji analitu ze związkami matrycy z fazie pary

(powód: obecność reaktywnych składników matrycy w fazie gazowej podczas atomizacji, skutek: tworzenie się lotnych form monochlorków, obniżenie wydajności atomizacji);

* Kondensacji analitu na zimniejszych częściach kuwety

(powód: zwiększony transport analitu do zimniejszych części kuwety powodowany obecnością matrycy, skutek: usunięcie analitu w formie kondensatu).

Metody minimalizacji interferencji:

• Korekcja tła (lampa deuterowa, lampa halogenowa/wolframowo - jodkowa, korekcja zeemanowska, korekcja Smith'a Hieftje'go);

• Wzorcowania metodą dodatków;

• Selektywna ekstrakcja oznaczanego pierwiastka;

• Właściwy wybór kuwety grafitowej;

• Wybór technik wprowadzania próbki;

• Modyfikacja kuwety grafitowej

• (modyfikacja chlorkiem lantanu, modyfikacja związkami molibdenu, modyfikacja związkami talu);

• Zastosowanie warunków STPF;

• Zastosowanie modyfikatorów matrycy.

Metoda dodatku wzorca

• Oznaczenie oparte jest na krzywej kalibracyjnej sporządzonej w obecności składników matrycy;

• Wzrastające ilości roztworu wzorcowego (sam analit) są dodawane do kolejnych porcji próbki, przy czym przyjmuje się, że składniki matrycy wpływają w jednakowy sposób na procesy zachodzące w atomizerze;

• Najczęściej tak dobiera się dodawana ilość wzorca, aby wprowadzana ilość analitu odpowiadała w przybliżeniu zawartość analitu w próbce, a drugi dodatek był w przybliżeniu dwukrotnie większy.

Temat ćwiczenia

1. Mineralizacja materiału biologicznego metodą kwasową ciśnieniową w piecu mikrofalowym.

2. Oznaczenie zawartości Ca w materiale biologicznym płomieniowa metodą spektroskopii absorpcji atomowej.

3. Przedstawienie występowania interferencji na przykładzie oznaczania zawartości metali śladowych [ołów] w materiale biologicznym.

Ad. 1

Odważyć 0,5 g (dokładność do 1mg) zliofilizowanego materiału na wadze analitycznej.

Przenieść następnie do naczynia teflonowego, dodać 10 ml kwasu azotowego (65%) i wstawić do rotora mineralizatora. Ustawić program mineralizacji i rozpocząć proces.

Po zakończonej mineralizacji wyciągnąć naczynie i pozostawić do ostudzenia.

Następnie mineralizat przenieść ilościowo do kolbki miarowej 25 ml i dopełnić do kreski wodą destylowaną.

Ad. 2

1. sporządzić roztwór wzorcowy do kalibracji:

• odmierzyć 1 ml roztworu wzorcowego Ca (10 g/l) do kolby miarowej 50ml i dopełnić wodą destylowaną. Otrzymano roztwór o stężeniu 200 mg/l Ca,

• odmierzyć 5 ml roztworu wzorcowego Ca (200 mg/l) do kolby miarowej 50ml i dopełnić wodą destylowaną. Otrzymano roztwór o stężeniu 20 mg/l Ca,

sporządzić krzywą kalibracyjną,

oznaczyć zawartość Ca w przygotowanym materiale.

Ad. 3

1. sporządzić roztwór kalibracji:

• odmierzyć 0,5 ml roztworu wzorcowego Pb (1 g/l) do kolby miarowej 50ml i dopełnić wodą destylowaną. Otrzymano roztwór o stężeniu 10 mg/l Pb,

• odmierzyć 1 ml roztworu wzorcowego Pb (10 mg/l) do kolby miarowej 50ml i dopełnić wodą destylowaną. Otrzymano roztwór o stężeniu 200 ug/l Pb,

4. sporządzić krzywą kalibracyjną,

5. oznaczyć zawartość c₁ Pb w przygotowanym materiale,

6. sporządzić krzywą odniesienia metodą dodatku wzorca,

7. oznaczyć zawartość c₂ Pb w przygotowanym materiale,

8. porównać otrzymane wyniki.

3

---