asa

AAS – atomowa spektroskopia absorpcyjna

1. Wprowadzenie do atomowej spektrometrii absorpcyjnej (AAS)

Para atomowa czyli medium w stanie gazowym składające się z wolnych atomów

pierwiastka moŜe absorbować promieniowanie elektromagnetyczne. Atom pierwiastka w stanie

podstawowym (o energii E

) absorbuje foton promieniowania (energia hν ), co powoduje zmianę

rozkładu elektronów w atomie, przeprowadzając go w stan o wyŜszej energii (Ep + hν), czyli stan

wzbudzony. Atomy mogą istnieć tylko w określonych stanach energetycznych opisywanych

funkcjami falowymi stanowiącymi rozwiązania odpowiedniego równania Schrödingera. Funkcje

falowe mogą przyjmować tylko pewne określone wartości stałych, zwanych liczbami

kwantowymi: główną, poboczną, magnetyczną i spinową. Zgodnie z zakazem Pauliego, opisy

stanów energetycznych poszczególnych elektronów muszą się róŜnić wartością przynajmniej

jednej liczby kwantowej.

W stanie podstawowym atomu (w temp. ok. 20ºC) elektrony zapełniają kolejno poziomy

energetyczne wg wzrastającej energii. Konfigurację elektronową np. atomu magnezu moŜna

przedstawić w następujący sposób:

Mg: 1s

, 2s

, 2p

, 3s

Elektron walencyjny moŜe zostać

przeniesiony z poziomu podstawowego (dla magnezu to poziom 3s) na poziom wzbudzony (np. 3p).

RóŜnica energii między poziomem podstawowym a wzbudzonym (∆E) równa się:

∆E = ( E

+ hν ) - E

= hν = h c/

(1)

gdzie: E

- energia atomu w stanie podstawowym (lub niŜszym stanie wzbudzonym),

h - stała Plancka (6,626

-34

s), ν - częstość promieniowania elektromagnetycz-

nego [s

-1

], c - prędkość rozchodzenia się światła w próŜni (3,00

-1

- długość fali promieniowania elektromagnetycznego [m].

PoniewaŜ poziomy energetyczne mogą przyjmować tylko pewne ściśle określone wartości, więc i

róŜnice energii między nimi nie są dowolne – oznacza to, Ŝe tylko promieniowanie o określonej

energii czyli o określonej długości fali moŜe być zaabsorbowane. Na Rys.1 przedstawiono schemat

poziomów energetycznych atomu magnezu.

AAS – atomowa spektroskopia absorpcyjna

Rys. 1. Schemat poziomów energetycznych atomu magnezu. W metodzie AAS wykorzystuje się linie Mg
związane z przejściami 2852,1 Å i 2025,8 Å.

W atomie jest wiele poziomów energetycznych, na które mogą zostać przeniesione elektrony

wzbudzone. Oznacza to, Ŝe atom magnezu moŜe absorbować wiele charakterystycznych długości

fal. Dla przejść elektronów walencyjnych jest to energia promieniowania w zakresie UV-Vis.

Średni czas trwania atomu w stanie wzbudzonym jest bardzo krótki, rzędu 10

-8

s. Po tym

czasie elektron, wracając do stanu podstawowego, emituje energię dokładnie taką, jaka była

potrzebna do przejścia w stan wzbudzony (Rys. 2)

AAS – atomowa spektroskopia absorpcyjna

Rys. 2. Przejścia elektronu pomiędzy dwoma poziomami energetycznymi. .

Porcje energii czyli promieniowanie o określonej częstotliwości lub określonej długości

fali, które jest absorbowane przez dany atom jest emitowane podczas powrotu do stanu

podstawowego. Oznacza to, Ŝe atom moŜe absorbować promieniowanie elektromagnetyczne tylko o

takiej długości fali, przy której moŜe je emitować i jest ono charakterystyczne dla danego

pierwiastka. Zjawisko to jest podstawą analizy jakościowej metodą atomowej spektrometrii

absorpcyjnej. Dzięki temu moŜliwe jest oznaczanie wielu pierwiastków zawartych w próbce w

sposób niezaleŜny od siebie (metoda jest bardzo selektywna).

Przejściom elektronów pomiędzy róŜnymi poziomami energetycznymi odpowiadają róŜne

częstotliwości promieniowania, których zbiór stanowi charakterystyczne dla danego pierwiastka

widmo atomowe (widmo liniowe). Do celów analitycznych naleŜy dokonać wyboru jednej z wielu

róŜnych linii absorpcyjnych. W metodzie ASA wykorzystuje się zwykle linię związaną z przejściem

elektronu walencyjnego ze stanu podstawowego na pierwszy (najniŜszy poziom wzbudzony) i

nazywa się ją linią rezonansową, zaś najniŜszy stan wzbudzony – stanem rezonansowym.

Miarą intensywności zjawiska absorpcji promieniowania elektromagnetycznego przez wolne

atomy jest absorbancja (A) określana jako

A = lg I

(2)

gdzie: I

– natęŜenie wiązki promieniowania padającego, I – natęŜenie wiązki

promieniowania po przejściu przez ośrodek zawierający wolne, oznaczane atomy

(niezaabsorbowanego przez atomy).

Prawo Lamberta – Beera. Podstawą analizy ilościowej metodą atomowej spektrometrii

absorpcyjnej jest proporcjonalność absorbancji do ilości absorbujących atomów.

AAS – atomowa spektroskopia absorpcyjna

ZaleŜność tą opisuje Prawo Lamberta-Beera definiowane następującym wzorem:

A =

· b · N

(3)

gdzie:

- molowy współczynnik absorpcji (wielkość charakterystyczna dla danego rodzaju

atomów i określonej długości fali), b - długości drogi optycznej (długość drogi

promieniowania w ośrodku absorbującym), N - ilość wolnych atomów na drodze

promieniowania.

Ilość wolnych atomów N moŜna zamienić na proporcjonalnie z nią związane stęŜenie

atomów (c) w próbce, co w stałych warunkach pomiaru dla określonej długości fali daje liniową

zaleŜność:

A = a · c

(4)

gdzie: a – współczynnik proporcjonalności.

Prawo Lamberta-Beera jest spełnione dla małych stęŜeń, przy których nie mają jeszcze

znaczącego wpływu efekty związane z obecnością zbyt duŜej ilości wolnych atomów na drodze

optycznej promieniowania (np. samoabsorpcja).

Drugim warunkiem granicznym spełnienia prawa Lamberta-Beera jest stosowanie

promieniowania monochromatycznego (zaleŜność współczynnika absorpcji zaleŜy od długości fali).

W przypadku absorpcyjnej spektrometrii atomowej konieczna jest, ze względu na wąskie linie

absorpcyjne, znacznie większa monochromatyczność niŜ w przypadku spektrofotometrii cząsteczek.

Pierwiastki metaliczne występują z reguły w postaci związków organicznych lub

nieorganicznych, zatem do wywołania zjawiska absorpcji naleŜy 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, niezaleŜnie od

tego czy pierwiastek wzbudza się łatwo (np. sód), czy trudno (np. cynk).

Zasada pomiarów metodą AAS polega na tym, Ŝe linia rezonansowa oznaczanego

pierwiastka o natęŜeniu I

, 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 natęŜenie (I). Porównanie I i I

daje absorbancję (wzór 2)

proporcjonalną do stęŜenia oznaczanego pierwiastka (wzory 3 i 4).

AAS – atomowa spektroskopia absorpcyjna

Linie atomowe mają kształt krzywych Gaussa i charakteryzują się intensywnością oraz

szerokością określaną przez szerokość połówkową mierzoną w połowie wysokości piku (Rys. 3).

Rys. 3. Schemat struktury linii atomowej.

Naturalna szerokość linii w zakresie promieniowania UV-Vis stosowanych w AAS wynosi

ok. 10

-6

– 10

-4

nm. W atomizerze szerokość linii absorpcyjnej będzie większa z powodu poszerzenia

temperaturowego (tzw. poszerzenie dopplerowskie) oraz poszerzenia ciśnieniowego (zjawisko

Lorentza). W obu przypadkach wartość tego poszerzenia wynosi ok. 10

-3

nm i jest o dwa rzędy

większa od szerokości naturalnej linii absorpcyjnej. Dlatego szerokość połówkowa linii emitowanej

ze źródła promieniowania powinna być zdecydowanie mniejsza niŜ szerokość linii absorpcyjnej ze

względu na czułość (im mniejsza szerokość linii emitowanej tym większy jej zakres będzie objęty

absorpcją) i jak najmniejsza ze względu na specyficzność metody (moŜliwość nakładania się linii

spektralnych innych pierwiastków). Uzyskuje się to przez zastosowanie wyŜszej temperatury w

atomizerze od temperatury w lampie emitującej.

Zasadę pomiarów metodą AAS ilustruje Rys. 4.

AAS – atomowa spektroskopia absorpcyjna

Aparaty AAS mogą być jedno- lub dwuwiązkowe. W spektrometrach dwuwiązkowych

promieniowanie emitowane ze źródła jest dzielone na dwie wiązki, wiązkę przechodzącą przez

atomizer i wiązkę odniesienia omijającą atomizer. Obie wiązki przechodzą przez ten sam

monochromator a następnie są naprzemiennie rejestrowane przez ten sam detektor. Eliminuje się w

ten sposób błąd pomiaru wynikający ze zmian intensywności promieniowania źródła w czasie

trwania pomiaru lub zmian czułości detektora.

2.1. Źródła promieniowania

Źródła promieniowania stosowane w metodzie AAS muszą się charakteryzować duŜą

monochromatycznością promieniowania o częstotliwości zgodnej z częstotliwością rezonansową

oznaczanego pierwiastka. Promieniowanie emitowane przez źródło powinno odznaczać się duŜym

natęŜeniem i stabilnością. W praktyce, w metodzie AAS stosuje się lampy z katodą wnękową lub

wzbudzane wysoką częstotliwością (bądź mikrofalami) lampy bezelektrodowe.

Lampy z katodą wnękową (Hollow Cathode Lamp - HCL) (Rys. 6) są rurkami szklanymi z

okienkami kwarcowymi. Wewnątrz zamkniętej rurki znajduje się gaz szlachetny (Ne lub Ar) pod

niskim ciśnieniem (2-8 hPa). Lampy te zawierają dwie elektrody. Anodą jest drut wolframowy,

katodę stanowi wydrąŜony cylinder wykonany z metalu, który ma być oznaczany i którego linię

rezonansową lampa ma emitować. Oś cylindra katody odpowiada osi optycznej przyrządu. Gdy

między anodę i katodę zostanie przyłoŜone dostatecznie duŜe napięcie (rzędu kilkuset wolt), gaz

wypełniający lampę zostanie zjonizowany. Dodatnie jony gazu, bombardując katodę wybijają, z niej

atomy metalu. Atomy metalu w stanie gazowym ulegają wzbudzeniu i emitują promieniowanie,

które składa się z linii charakterystycznych dla atomów metalu, jonów metalu i gazu szlachetnego.

NatęŜenie promieniowania moŜna zmieniać regulując natęŜenie prądu płynącego w lampie.

Odpowiednią linię moŜna wyodrębnić z niezbyt skomplikowanego widma za pomocą prostych

monochromatorów. Lampą z katodą wnękową moŜna oznaczać tylko jeden pierwiastek, ten z

którego została wykonana katoda. Produkuje się teŜ lampy kilkupierwiastkowe, ale nie znajdują one

szerszego zastosowania, głównie z powodu małego natęŜenia wycinanej wiązki promieniowania.

AAS – atomowa spektroskopia absorpcyjna

Rys. 6. Lampa z osłoniętą katodą wnękową, 1 – anoda; 2 – okienko kwarcowe; 3 – gaz Ar lub He; 4 – katoda
wnękowa; 5 – ekrany z kwarcu lub miki. (R. Kocjan, Chemia analityczna. Podręcznik dla studentów. Tom 2.
PZWL, W-wa, 2000).

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 (natęŜenie linii i szerokość

połówkowa) i są bardzo trwałe. Produkuje się je głównie dla pierwiastków, dla których nie moŜna

zbudować lamp HCL - Sb, As, Se, Te, P, Hg, Bi, Cs, Ge, K, Rb, Tl.

2.2. Atomizery

Zadaniem atomizerów jest otrzymywanie z duŜą, 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 stęŜeniem oznaczanej substancji w próbce a

stęŜeniem atomów w plazmie absorpcyjnej. Wytworzone atomy powinny w jak najmniejszym

stopniu ulegać wzbudzeniu i jonizacji.

Atomizacja próbki wymaga doprowadzenia energii, co realizowane jest róŜnymi 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).

AAS – atomowa spektroskopia absorpcyjna

Atomizer płomieniowy. Atomizacja płomieniowa wymaga przeprowadzenia ciekłej próbki

analitycznej w aerozol. Aerozol uzyskuje się najczęściej w nebulizerze pneumatycznym (Rys. 7).

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.

Rys. 7. Nebulizer pneumatyczny.

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).

Najczęściej stosuje się płomień acetylen-powietrze. Ma on wysoką temperaturę i dopiero

poniŜej 230 nm występuje wzrastająca absorpcja własna płomienia. Płomień acetylen-powietrze jest

zalecany do oznaczania następujących pierwiastków: Mg, Ca, Sr, Cr, Mb, Mn, Tc, Fe, Ru, Os, Co,

Rh, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Hg, Ga, In, Tl, Pb, Sb, Bi. Dla pierwiastków, które tworzą w

płomieniu trwałe tlenki (np. Ba, Al., B, Be, Si) konieczne jest stosowanie płomienia redukującego z

uŜyciem gazu utleniającego tlenku azotu (I).

Analizowana próbka moŜe być roztworem prostej soli MA (M

i A

) lub roztworem

zawierającym inne składniki. Po wprowadzeniu prostej soli do płomienia zachodzą w niej

następujące przemiany fizykochemiczne i reakcje chemiczne (Rys. 8.):

AAS – atomowa spektroskopia absorpcyjna

•

Odparowanie rozpuszczalnika

+ A

(mgła)

↔

MA (ciało stałe)

•

Stopienie soli i przeprowadzenie jej w stan pary

MA (ciało stałe)

↔

MA (ciecz)

↔

MA (gaz)

•

Reakcja dysocjacji termicznej

MA (gaz)

↔

M(gaz) + A(gaz)

Rys. 8. Przemiany fizykochemiczne soli w atomizerze płomieniowym.

Równowaga tej reakcji uzaleŜniona jest od temperatury płomienia. Ilość wolnych atomów

rośnie wykładniczo ze wzrostem temperatury.

Inne reakcje, takie jak jonizacja, wzbudzenie i synteza są procesami niekorzystnymi,

poniewaŜ zmniejszają ilość wolnych atomów w stanie podstawowym a zatem i czułość metody.

•

Reakcja jonizacji M

↔

+ e

•

Rekcje syntezy M + O

↔

M + H

↔

MO + H

M + OH

↔

MOH

MO + CO

↔

MCO

AAS – atomowa spektroskopia absorpcyjna

•

Reakcje wzbudzenia M ↔ M

↔

(MA)

MO ↔ (MO)

MOH ↔ (MOH)

MCO

↔ (MCO

)

W układach złoŜonych zachodzą w płomieniu dodatkowe reakcje syntezy dające trwałe sole np. z

halogenkami (AlF

), z kwasami tlenowymi (CaSO

, Ca

(PO

)

lub reakcje tworzenia podwójnych

tlenków metali (MgAl

, CaTiO

). Poznanie mechanizmów tych reakcji w płomieniu i znajomość

ewentualnych oddziaływań zakłócających pozwala wyeliminować przyczyny błędów w metodzie

absorpcji atomowej.

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. moŜliwość oddzielenia pierwiastka od

składników matrycy, warunki sprzyjające atomizacji trwałych termicznie tlenków oraz całkowita,

jednorazowa atomizacja wprowadzonej próbki z duŜą wydajnością (w płomieniowej AAS – 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. StęŜenie par rtęci powietrzu w temperaturze 300 K

moŜe wynosić ok. 20 ng/cm

i jest to wystarczające stęŜenie do oznaczenia rtęci metodą AAS. Rtęć

AAS – atomowa spektroskopia absorpcyjna

w postaci jonów Hg

w roztworach moŜna zredukować za pomocą Sn

i wolną rtęć wypłukać z

mieszaniny reakcyjnej argonem. Rtęć w gazach moŜna zatęŜyć na wacie złotej; z podgrzanego do

700 -800 K amalgamatu rtęć ulega desorpcji i moŜe 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.

2.3. Monochromatory

Zadaniem monochromatora jest eliminacja promieniowania własnego płomienia i wycięcie

linii rezonansowej z promieniowania emitowanego przez lampę z katodą wnękową (źródła

promieniowania liniowego). Monochromatory działają na zasadzie siatki dyfrakcyjnej naciętej na

powierzchni zwierciadła, które jest umieszczone na obrotowym uchwycie, umoŜliwiającym

kierowanie na szczelinę przepuszczającą do detektora róŜne długości fal (monochromatory typu

Littrowa, Eberta i Czernego – Turnera). Spektrometry AA działają w zakresie od 193,7 do 852,1 nm.

2.4. Detektory

Detektorem w spektrometrze absorpcji atomowej jest fotopowielacz. Jest to układ składający

się z fotokatody, szeregu dynod i anody. Zasada działania fotopowielacza polega na tym, Ŝe foton

pada na katodę, wybija z niej elektrony, które trafiają na dynodę. KaŜdy elektron wybija kilka

nowych elektronów z dynody. Proces ten jest powtarzany na kolejnych dynodach i w ten sposób

otrzymuje się wielokrotne wzmocnienie prądu, który jest proporcjonalny do liczby

zaabsorbowanych fotonów. Prąd przekazywany jest do miernika lub innego urządzenia

pomiarowego wyskalowanego w jednostkach absorbancji lub transmitancji. Jako rejestratory

stosowane są komputery umoŜliwiające jednocześnie opracowanie statystyczne wyników.

3. 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)

moŜna 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.

AAS – atomowa spektroskopia absorpcyjna

W próbkach złoŜonych linia rezonansowa oznaczanego pierwiastka moŜe nakładać się z

liniami spektralnymi innych pierwiastków. Przykłady nakładania się linii spektralnych wybranych

pierwiastków przedstawiono w Tab. 1. Interferencje wywołane nakładaniem się linii moŜna

eliminować przez wykonanie pomiarów przy innej długości fali odpowiadającej innej linii

spektralnej oznaczanego pierwiastka lub przez selektywne wyizolowanie pierwiastka oznaczanego

lub zakłócającego.

Tab. 1. Nakładanie się linii spektralnych w AAS

Analizowany

pierwiastek

Długość fali

λ [nm]

Pierwiastek

przeszkadzający

Długość fali

λ [nm]

228,802

228,812

Al.

308,215

308,211

217,023

216,999

213,856

213,859

422,673

422,657

252,136

252,137

324,754

324,753

271,903

271,904

253,652

253,649

Absorpcja linii spektralnej oznaczanego pierwiastka moŜe być pozornie zmniejszona przez

emisję promieniowania przez wzbudzone w atomizerze atomy, cząsteczki czy cząstki ciał stałych.

DuŜe cząstki plazmy termicznej mogą rozpraszać promieniowanie, przez co pozornie zwiększać

absorpcję. MoŜna temu zapobiec, zwiększając efektywność nebulizacji poprzez zmniejszenie

rozmiaru kropel. Procesy emisji, absorpcji i rozpraszania promieniowania przez składniki plazmy

nie będące agalitem, moŜna wyeliminować aparaturowo poprzez tzw. korektę tła.

Innym typem zakłóceń są interferencje chemiczne, przewaŜnie specyficzne dla

poszczególnych pierwiastków. Nazywa się je często efektami matrycowymi, gdyŜ powodowane są

składnikami matrycy. Składniki matrycy mogą powodować inną lepkość i napięcie powierzchniowe

roztworu próbki niŜ roztworów wzorcowych a tym samym róŜną wydajność nebulizacji. Problemy

takie występują zwłaszcza przy badaniu płynów fizjologicznych i olejów mineralnych. Lepkość i

napięcie powierzchniowe moŜna zmniejszyć przez dodatek substancji powierzchniowo-czynnych i

rozpuszczalników organicznych.

Innym problemem jest wpływ składu matrycy na tworzenie związków analizowanego

pierwiastka róŜniących się lotnością i trwałością termiczną, wpływ na stopień dysocjacji termicznej

lub moŜliwość jonizacji.

AAS – atomowa spektroskopia absorpcyjna

Opracowano kilka sposobów eliminacji zakłóceń chemicznych:

•

zastosowanie płomienia redukującego nie dopuszcza do powstania tlenków lub powoduje

ich redukcję: MO + C = M + CO,

•

zastosowanie płomienia o wyŜszej temperaturze (tlenek azotu (I)-acetylen) umoŜliwiającego

dysocjację termiczną, która nie zachodzi w płomieniu powietrze-acetylen, np. wapń w

obecności glinu daje trwały związek CaAl

w płomieniu powietrze-acetylen, natomiast

dysocjuje on w płomieniu tlenku azotu (I),

•

dodanie do roztworu analizowanego odczynnika korygującego, powodującego uwolnienie

pierwiastka z trudno dysocjującego związku,

•

dodanie do roztworu analizowanego odczynnika dejonizującego (buforu), zmniejszającego

jonizację oznaczanych atomów,

•

dodatnie do roztworu analizowanego buforu nasycającego, tj. roztworu pierwiastka

zakłócającego o takim stęŜeniu, przy którym jego wpływ na absorbancję pierwiastka

oznaczanego jest stały.

4. MoŜliwości zastosowań AAS

•

Metodą AAS moŜna oznaczać około 70 pierwiastków. Problematyczne jest oznaczanie niemetali.

•

AAS jest typową metodą oznaczania pojedynczego pierwiastka. Zastosowanie

spektrometrów wielokanałowych nie dało istotnego postępu w eliminacji tego ograniczenia.

•

AAS jest metodą oznaczania pierwiastków śladowych i składników ubocznych (bardzo

rzadko stosuje się ją do oznaczania składników głównych).

•

Określany zakres stęŜeń odpowiada w przybliŜeniu jednemu rzędowi wielkości. W przypadku

moŜliwości pomiaru bardzo małych absorbancji zakres ten moŜe objąć 2 – 3 rzędy wielkości.

•

AAS jest metodą względną. Do wyznaczenia stęŜenia wykorzystuje się krzywe wzorcowe

(wyniki dokładniejsze) lub metodę dodatków (metoda szybsza, ale mniej dokładna).

•

Metoda AAS jest podatna na wszelkiego rodzaju zakłócenia – stąd konieczność obsługi

przez personel o wysokich kwalifikacjach.

•

AAS jest techniką stosowaną w rutynowych oznaczeniach w laboratoriach metalurgicznych,

rolniczych, medycznych, biologicznych, geologicznych, ochrony środowiska i wszędzie tam,

gdzie zachodzi konieczność oznaczeń śladowych ilości pierwiastków.

Granice detekcji dla określonych długości fal wybranych pierwiastków przedstawiono w Tab. 2.

AAS – atomowa spektroskopia absorpcyjna

Tab. 2. Granice wykrywalności niektórych pierwiastków w metodach F-AAS i ET-AAS.

Pierwiastek Długość fali

λ [nm]

Granica detekcji F-AAS

(etyn–powietrze)

ppb [µg/dm

]

Granica detekcji

ET–AAS

ppb [µg/dm

]

309,2710

500

0,01

193,759

0,12

228,8072

0.0002

422,673

0,5

0,01

324,754

0,005

242,795

0,01

217,000

0.007

253,652

140

0.2

328,068

0,001

248,327

0,01

213,856

0,001

5. Metodyka pomiarów

Jak wcześniej wspomniano podstawą analizy ilościowej metodą AAS jest prostoliniowa

zaleŜność absorbancji od stęŜenia analizowanego pierwiastka w próbce. Oznaczenie prowadzi się

dwiema metodami: metodą krzywej wzorcowej (krzywej kalibracyjnej) i metodą dodatku wzorca.

5.1. Metoda krzywej kalibracyjnej

W procesie pomiaru próbka poddawana jest róŜnym przemianom lub oddziaływaniom, w

wyniku których uzyskiwany jest sygnał analityczny. W metodach instrumentalnych, które w

większości są metodami porównawczymi, mierzony jest parametr fizyczny, będący funkcją stęŜenia

substancji analizowanej. Aby uzyskać dokładne wyniki ilościowe, wymagana jest kalibracja

względem znanych wzorców. Porównywanie z wzorcami moŜna przeprowadzić najczęściej

następującymi metodami:

•

metodą krzywej kalibracyjnej,

•

metodą dodawania wzorca,

•

metodą wzorca wewnętrznego.

(Dwie ostatnie metody przedstawione są w instrukcjach do ćwiczeń 1 i 3.)

W przewaŜającej części metod detekcji mierzony parametr jest funkcją liniową stęŜenia

analitu;

Y = ac + b,

gdzie: Y - wielkość mierzona, c – stęŜenie analitu, a – współczynnik proporcjonalności,

a = BC/AB = tg α, b – wartość stała, jest często wartością eksperymentalną ślepej

próby.

AAS – atomowa spektroskopia absorpcyjna

Taką funkcję liniową moŜna przedstawić graficznie (Rys. 9a)

Rys. 9a. Krzywa kalibracyjna Y = ac + b

Współczynnik proporcjonalności a określa czułość metody; im większe zmiany wartości mierzonej

Y na jednostkę stęŜenia c, tym większa jego wartość i tym wyŜsza czułość metody. Metody o małym

kącie nachylenia krzywych kalibracyjnych nie są przydatne do celów analitycznych. Parametr b

moŜe przyjmować wartości dodatnie, ujemne lub zero.

W metodzie krzywej kalibracyjnej przygotowuje się szereg roztworów o znanych stęŜeniach

substancji analizowanych oraz tzw. ślepą próbę – roztwór, w którym są wszystkie składniki

roztworów wzorcowych z wyjątkiem analitu i dla kaŜdego roztworu mierzy się wartość Y.

ZaleŜność Y od c wzorców wykreśla się (Rys. 9b) lub wylicza równanie prostej. Wartość Y mierzy

się równieŜ dla próbki badanej, nanosi na krzywą kalibracyjną i odczytuje stęŜenie lub oblicza z

równania prostej.

Rys. 9b. Krzywa kalibracyjna Y = a c

Przed przystąpieniem do oznaczeń metodą krzywej kalibracyjnej naleŜy zbadać zakres

prostoliniowej zaleŜności wartości mierzonej od stęŜenia analitu (Rys. 9c).

AAS – atomowa spektroskopia absorpcyjna

Rys. 9c. Krzywa kalibracyjna o ograniczonym zakresie stosowania

Na przedstawionej na Rys. 9c krzywej kalibracyjnej do celów analitycznych nadaje się zakres stęŜeń

od 0 do 5 (odcinek krzywej 0D). Krzywą kalibracyjną naleŜy wykonywać w dniu pomiarów, zmiana

warunków pomiarów (np. temperatury) czy uŜycie innej partii odczynników moŜe powodować

przesunięcie krzywej kalibracyjnej na osi Y lub zmianę nachylenia prostej Y = f(c).

Na wartość wielkości mierzonej moŜe mieć duŜy wpływ matryca, czyli to wszystko, co

wprowadzamy do układu pomiarowego poza substancją oznaczaną. Udział matrycy naleŜy

uwzględnić przy sporządzaniu roztworów wzorcowych, dbając by roztwory wzorcowe miały skład i

właściwości fizyko-chemiczne jak najbardziej zbliŜone do właściwości roztworu analitu.

Zmniejszenie wpływu matrycy na wartość wielkości mierzonej moŜna niekiedy uzyskać przez

wprowadzanie do próbki substancji maskujących. Ograniczenie wpływu matrycy moŜe być trudne

lub niemoŜliwe, jak często bywa w przypadku próbek środowiskowych, naleŜy wtedy zastosować

metodę dodawania wzorca lub zmienić sposób przygotowania próbki do pomiarów.

Literatura

Dittrich K, Absorpcyjna spektrometria atomowa, PWN Warszawa 1988.

Pinta M, Absorpcyjna spektrometria atomowa. Zastosowanie w analizie chemicznej, PWN, Warszawa

1977.

Ewing GW, Metody instrumentalne w analizie chemicznej, PWN, Warszawa 1980.

Minczewski J, Marczenko Z, Chemia Analityczna, Tom 3, PWN, Warszawa 1985.

Szczepaniak W, Metody instrumentalne w analizie chemicznej, PWN, Warszawa 1996.

Kocjan R, Chemia analityczna, PZWL, Warszawa, 2000.

Namieśnik J, Metody instrumentalne w kontroli zanieczyszczeń środowiska, Politechnika Gdańska,

Gdańsk, 1992.

Reczyński W, Bochnia T, Metody atomowej spektroskopii absorpcyjnej i jej zastosowanie w fizjologii

roślin, Wiadomości Botaniczne, 34, 37, 1990