2012-09-10-C-METODE-DE-ANALIZA-MOLECULARA-SI-ATOMICA.pdf

CERCETAREA CRIMINALISTICĂ A MICROURMELOR

Conf. Dr. Romeo Iulian OLARIU Lector Dr. Cecilia ARSENE Notiţe curs 09+10 1

7.2 Tehnici spectrometrice (spectrometria de absorbţie/emisie atomică cu flacără, FAAS, GF-AAS, FEAS). Teoria spectroscopiei atomice.

Când o probă este atomizată, prin oricare sursă de atomizare, o bună parte a constituenţilor moleculelor sunt aduşi în stare de atomi gazoşi. În funcţie de timp şi de tipul de atomizor, o parte din compuşi pot trece în stare ionică, lucru nedorit deoarece în final se obţine un spectru al atomilor şi ionilor excitaţi. În general spectrele atomilor sunt formate din linii apropiate, care rezultă în urma tranziţiilor electronilor exteriori pe nivele energetice superioare (absorbţie) sau revenirea în stare fundamentală (emisie). Datorită unor condiţii de atomizare constante şi energia care ajută la tranziţia electronilor este şi ea constantă şi în consecinţă tranziţiile care au loc sunt aceleaşi. Prin urmare şi spectrul atomului analizat, efectuat în aceleaşi condiţii va avea permanent acelaşi aspect, respectiv aceleaşi valori de lungimi de undă la care apar liniile caracteristice. Din acest motiv spectrele atomilor şi al moleculelor pot fi considerate o constantă caracteristică fiecărui substrat chimic analizat. Diagrama de nivel energetic pentru atomul de Na (Figura 1) poate să explice în mod convenabil tranziţiile electronilor exteriori responsabili de apariţia spectrului atomic. La temperatura mediului ambiant un atom se găseşte în stare fundamentală:

Figura 1. Diagrama de nivel energetic pentru atomul de Na.

În diagramă sunt ilustrate câţiva orbitali atomici ai atomului de Na, care include şi gradul de degenerare a lor, de exemplu a celor de tip p, datorită diferenţelor energetice care pot apare ca urmare a mişcării de rotaţie a electronului în jurul propriei axe şi mişcarea electronilor pe orbită.

În cazul când aceste mişcări sun în acelaşi sens cu sensul câmpului magnetic, aceste mişcări se resping iar când sunt de sens pus, se atrag. Astfel, energia electronului al cărui spin este opus în raport cu mişcarea propriului orbital, va fi mai mică decât în situaţia în care sensul spinului este de acelaşi sens cu mişcarea orbitală. Diferenţele care apar sunt foarte mici pentru orbitalii de tip p în schimb ele devin semnificative pentru electronii din orbitalii d şi f. Aceste scindări sunt caracteristice tuturor speciilor care conţin un electron de valenţă. În cazul în care un atom posedă doi electroni de valenţă, atunci scindarea orbitalilor este mult mai complicată iar spinul ionului este mult diferit fată de cel al atomului din care provine. Acesta se explică prin apariţia stărilor de singlet sau triplet. Cu cât numărul de electroni de valenţă creşte şi diagrama nivelelor energetice se complică deoarece stările de singlet sau triplet pot să apară scindate (Figura 2). În aceste situaţii interpretarea diagramelor de nivel energetic pentru atomii respectivi se complică, în comparaţie cu diagramele corespunzătoare atomilor cu un singur electron de valenţă, fapt



ce se reflectă şi în numărul mult mai mare de linii, care pot să apară în spectrul atomic caracteristic.

Figura 2. Diagramele nivelelor energetice pentru atomul de Mg (stările de singlet sau triplet pot să apară scindate).

Spectrele atomice de emisie.

La temperatura camerei toţi atomii probei sunt în stare fundamentală (Na este în starea 3s). Excitarea atomilor de Na se poate realiza cu ajutorul flăcării, arcului electric, etc. Timpul de viaţă al atomului excitat este foarte scurt, iar la revenire se emite o radiaţie luminoasă. La revenirea de pe 3p pe 3s apar două linii foarte intense al căror spectru de emisie se înregistrează la lungimile de undă cuprinse între 589-589,6 nm. Cele două linii sunt cele mai intense din spectrul atomic al Na şi sunt utilizate în scopuri analitice. Spectrul de emisie al Na mai prezintă o serie de linii în jurul valorilor de lungimi de undă cuprins între 568,2-568,6 nm care au o intensitate mai mică şi care se folosesc mai puţin în scopuri analitice. De cele mai multe ori liniile cele mai intense şi a căror intensitate scad atunci când se fac diluţii foarte mari, sunt considerate linii analitice utilizate pentru identificarea unui atom şi permit unele aproximări semi-cantitative. Energiile fotonilor emişi vor fi de valoare egală cu cea a fotonilor absorbiţi. Tranziţia se face până la primul nivel energetic excitat iar procesul de emisie va readuce sistemul (atomul) pe nivelul energetic fundamental (Figura 3). Când tranziţiile au loc până la primul nivel energetic, se obţin liniile de rezonanţă – liniile cele mai intense din spectru şi folosite în analizele calitative şi semi-cantitative. În afară de aceste linii, în spectrul atomic mai apar şi alte linii, de intensitate mult mai mică, datorate tranziţiilor pe nivele energetice superioare primului nivel energetic excitat. Aceste linii pot fi folosite în analiza chimică, numindu-se şi linii analitice.

E0

E1

absorbtie emisiehνa

hνe ∆Ea=∆Ee

νa=νe

E2

Figura 3. Tranziţia de rezonanţă.

Caracteristicile spectrelor atomice de absorbţie.



Atomii gazoşi la o temperatură ridicată, creată de o sursă de excitare atomică, absorb radiaţii cu lungimi de undă caracteristice tranziţiilor de pe nivelul fundamental pe nivele superioare din punct de vedere energetic. Din diagrama nivelelor energetice (Figura 4) şi spectrul de emisie (Figura 5) se poate observa faptul că liniile caracteristice pentru atomul de H din domeniul vizibil sunt cele pentru tranziţiile de pe 1s pe 2p, 3p şi 4p

Figura 4. Diagrama nivelelor energetice ale atomului de hidrogen.

486,1 nm

656,3 nm

434,0 nm410,1 nm

Figura 5. Spectrul de absorbţie al atomului de hidrogen din regiunea vizibilă.

Ca şi pentru spectrele tipic de emisie şi spectrele de absorbţie sunt caracterizate de linii de rezonanţă. Spectrele de fluorescenţă atomică. Atomii în flacără pot produce fluorescenţă prin iradierea cu o sursă care emite radiaţii cu lungimi de undă care pot fi absorbite de către atomi. Fluorescenţa se măsoară de obicei sub un unghi de 90 de grade ( in mod identic ca la spectroscopia moleculară), faţă de direcţia sursei. Fluorescenţa poate fi de mai multe tipuri:

1. De rezonanţă – tranziţiile se fac de pe starea fundamentală pe starea energetică cea mai de jos a nivelului excitat, iar fluorescenţă presupune revenirea la aceeaşi stare fundamentală.

E0

E1

absorbtie emisiehνa

hνe∆Ea=∆Ee

λa=λe

Figura 6. Fluorescenţa de rezonanţă.

2. Directă – presupune setul de procese: absorbţie, fluorescenţă, relaxare.



E0

E1

absorbtieemisie

hνa

hνe ∆Ea>∆Ee

λa<λe

relaxare

Figura 7. Fluorescenţa directă.

3. În trepte - are loc după următorul procedeu: absorbţie, relaxare, fluorescenţă.

E0

E1

absorbtie

emisiehνahνe

∆Ea>∆Ee

λa<λe

relaxare

Figura 8. Fluorescenţa în trepte.

4. Mixtă – presupune o combinare între tipurile de mai sus. În practică s-a observat faptul că cea mai des întâlnită formă de fluorescenţă este cea de rezonanţă.



Aparatura utilizată în spectroscopia optică atomică. Schemele bloc ale aparaturii folosite în spectroscopia optică atomică:

EMISIE Sursa

opturator

lentila

monocromator

detector

inregistrator

S O L M D I

ABSORBŢIE Sursa

opturator monocromator

detector

inregistrator

S O M D I

F

flacara/atomizor

FLUORESCENŢĂ

Sursa

opturator

monocromator

detector

inregistrator

S O M

D

I

F

flacara/atomizor

90 o

Spectrofotometria de flacără - FLAMFOTOMETRIA Spectrofotometria de flacără, sau flamfotometria, are la bază emisia rezultată la excitarea atomilor cu ajutorul flăcării. Fiind o metodă de spectrală, denumirea generică a instrumentului este cunoscută sub numele de flamfotometru sau/şi flamspectrometru. Ca în toate metodele optice atomice (de emisie sau absorbţie) două componente sunt foarte importante, care le diferenţiază de celelalte tipuri de spectrometre.

• Primul este pulverizatorul – componenta care aduce proba în stare de aerosoli şi o dispersează în flacără, pentru a facilita o atomizare mai rapidă şi eficientă.

• Al doilea component este flacără însăşi, care are în primul rând rolul de atomizare a probei şi în cazul spectrometriei de emisie şi rol de sursă de excitare a atomilor formaţi.

Flamfotometria, sau spectrometria în flacără de emisie atomică, urmăreşte cinici mari paşi: 1. Eliberarea compusului de analizat în flacără şi atomizarea lui 2. Producerea tranziţiilor spectrale 3. Izolarea şi localizarea liniilor spectrale obţinute 4. Stabilirea creşterii şi/sau descreşterii intensităţii liniilor spectrale 5. Înregistrarea datelor.

Flacăra. Din punct de vederea spectral flacăra este o sursă termică cu o temperatură cuprinsă în intervalul 1500-3100 oC. Energia flăcării, este o energie slabă, şi este utilizată doar pentru elementele al căror potenţial de ionizare este scăzut. Principial flacăra este realizată prin amestecul şi arderea a cel puţin două gaze (Tabelul 1.):



a) Gazul care arde – carburantul b) Gazul care întreţine arderea – gazul oxidant – comburant.

Tabelul 1. Tipuri de gaze utilizate la obţinerea flăcării. Carburant Comburant Posibilele reacţii Temperatura (oC)

Oxigen H2 + 1/2O2 → H2O 2660 Hidrogen Aer H2 + 1/2O2 + 2 N2→ H2O + 2N2 2045 Oxigen C3H8 + 5O2 → 3CO2 + 4H2O 2850 Propan Aer C3H8 + 5O2 +20N2→ 3CO2 + 4H2O + 20N2 1925 Oxigen C4H10 + 13/2O2 → 4CO2 + 5H2O 2900 Butan Aer C3H8 + 13/2O2 +26N2→ 4CO2 + 5H2O + 26N2 1895 Oxigen C2H2 + O2 → 2CO + H2 3100 Acetilena Aer C2H2 + O2 +4N2→ 2CO + H2 + 4N2 2325

Structura flăcării (Figura 9). Analiza spectrală în flacără este funcţie de natura flăcării şi de procesele care au loc în fiecare zonă a acesteia. În principiu se pot distinge patru mari zone (zone principale) şi una care este atribuită zonei de amestecare a celor două gaze ( zona A din figura 9).

Figura 9. Structura unei flăcării laminare. A- Zona de amestecare a gazelor B- Zona de preîncălzire C- Zona preliminară de combustie ( conul albastru

al flăcării) D- Zona interconică sau zona albă E- Conul exterior sau zona secundară de

combustie

flacără laminară - liniile de curgere a gazelor sunt aproximativ paralele, cu schimburi lente în timp şi spaţiu. În zona A (zona de amestecare) se introduce şi proba care ajunge sub formă de aerosoli în zona B unde gazele sunt încălzite printr-o formă de energie provenită din zona C. Gazele traversează zona de combustie cu o viteză cuprinsă între 1-10 m/s, iar când ajung în zona C ele sunt constituite în majoritate din CO2, CO, H2O, N2 ( dacă se utilizează aerul ca şi comburant). Se pot întâlnii urme slabe de H2, O atomic, radicali HO, NO, NO2. Tot în zona C, concentraţia în specii precum CH, H3O+, HCO+ este foarte ridicată, fapt ce conduce la imposibilitatea atingerii unui echilibru termic. Acest fapt conduce la creşterea zgomotului în detector. Când gazele ajung în zona D, se atinge şi echilibru termic. Din punct de vedere al valorii temperaturii, regiunea este mai rece şi mai oxidantă, decât regiunea C, iar arderea devine completă în ultima regiune E, datorită aerului din exteriorul flăcării. Pentru spectrometria atomică cea mai favorabilă zonă este zona D. Temperatura este suficientă pentru atomizare cât şi pentru excitarea speciilor atomice care au un potenţial de ionizare scăzut. Din punct de vedere tehnic, temperatura flăcării se poate regla din raportul carburant/comburant. Pe de altă parte o temperatură mult prea mare a flăcării ar putea genera ionizarea probei, fapt nedorit, pentru ca rezultatul ar fi analiza spectrală a ionilor şi nu a atomilor. Pentru a preîntâmpina astfel de situaţii, se pot introduce în flacără, aşa numitele tampoane de ionizare, adică un element uşor ionizabil, care să suprime ionizarea probei.



Procese în flacără. Principalele procese în flacără sunt prezentate în Figura 10.

M+ + X

-

solutie

aerosol solid

M+X

-

1

2 MX gazM atom in stare

gazoasa3 M* atom in stare

gazoasa

6 5

MOMOH etc.

4 7

MX*

absorbtie emisie

M+ + e

-M

+*

absorbtie

emisie

MO*MOH* etc

absorbtie si emisie atomica

absorbtie

emisie

absorbtie

emisie

* stare excitata1 evaporare solvent

2 sublimare sare

3 disociere

4 ionizare

5 reactie secundara

6 descompunere

7 recombinare

Figura 10. Principalele procese în flacără.

Pulverizatoarele (Figura 11). Asigură o dispersie cât mai bună a probelor de analizat sub formă de aerosoli.

Figura 11. Schema de principiu a unui pulverizator

Atomizoarele: Rolul acestora este de a aduce proba în stare de atomi. Atomizoarele pot fi:

A- cu flacără - care poate fi laminară sau turbulentă. Un exemplu, schematic, de atomizor laminar utilizat în spectrometria optică atomică este prezentat în Figura 12.

B- cu cuptor electrotermal (din grafit). Un exemplu, schematic, al unui cuptor de grafit utilizat în spectroscopia optică atomică este prezentat în Figura 13.



Figura 12. Prezentarea schematică a unui atomizor cu flacără laminară.

Figura 13. Prezentarea schematică a unui cuptor electrotermal.

Cuptorul este un tub de grafit care prezintă un orificiu central, prin care se introduce proba în stare lichidă sau solidă. Dimensiunile tubului de grafit sunt de cca 5 cm lungime şi un diametru de 1,5 cm. Temperatura cuptorului se reglează în funcţie de temperatura de lucru necesară. Prin interiorul tubului circulă un gaz inert (de regulă azot), care are următorul rol:

1. previne depunerea vaporilor de apă pe pereţii tubului. 2. Contribuire la eliminarea produşilor rezultaţi în urma atomizării. 3. Previne intrarea aerului în cuptor.

Cuptor de grafit este încălzit uniform prin încălzire transversală sau echivalentă, cu ajutorul unor rezistenţe electrice, temperatură care poate fi controlată şi programată în paşi cât mai mici. Atomizoarele cu cuptorul de grafit pot ajunge la o temperatură, în interior, de 3000 0C. Spre deosebire de atomizoarele cu flacără, cele cu cuptor electrotermal pot fi folosite şi la analiza probelor solide. Aceste tipuri de atomizoare se folosesc de regula în spectrometria de absorbţie atomică, fiind caracterizate de o sensibilitate mult mai înaltă, utilizând şi cantităţi mici de probă fără o tratare suplimentară a probelor. Influenţa temperaturii asupra absorbţiei, emisie şi fluorescenţei. Toate aceste tipuri de analiză sunt direct influenţate de temperatura flăcării, dar în mod special emisia, deoarece temperatura flăcării are un efect semnificativ asupra raportului dintre numărul atomilor excitaţi şi neexcitaţi. Relaţia dintre numărul de atomi excitaţi, N1, şi cei aflaţi în stare fundamentală, N0, este cunoscută sub denumirea de ecuaţia lui Boltzmann şi se poate scrie:

TkE

0

1

0

1 ePP

NN ×

∆−

×= (1)

unde: N1 este numărul de atomi în stare excitată pe nivelul 1,



N0 – numărul de atomi aflaţi în stare fundamentală, P1/P0 – reprezintă raportul ponderilor statistice pentru starea excitată respectiv fundamentală, mărimi ce depind de numerele cuantice ale nivelelor existente în fiecare atom în parte, ∆E = hν – variaţia de energie a tranziţiei, k – 1,38 ×10-23 J/K, constanta lui Boltzmann T – temperatura absolută în K. În mod obişnuit raportul N1/N0 este subunitar. Se poate observa că N1/N0 depinde atât de ∆E cât şi de T. O creştere a temperaturii şi o scădere a valorii intervalului energetic, ∆E, va conduce implicit la o mărire a raportului N1/N0. Calculele demonstrează că, în cele mai favorabile condiţii, doar o mică parte din atomi se găsesc în stare excitată, lucru vizibil şi din datele prezentate în tabelul 2, pentru câteva linii de rezonanţă tipice. Din acest punct de vedere, absorbţia şi fluorescenţa, teoretic, depind mai puţin de temperatura flăcării, deoarece ambele tipuri de măsurători se realizează cu atomi iniţiali neexcitaţi. În schimb fluctuaţiile în temperatura flăcării pot afecta absorbţia şi fluorescenţa prin alte modalităţi:

a. Creşterea temperaturi, conduce la creşterea eficacităţii procesului de atomizare, implicit la creşterea numărului de atomi din flacără.

b. Creşterea temperaturii poate conduce la descreşterea înălţimii picului, practic la descreşterea intensităţii benzii de absorbţie datorată creşterii numărului de atomi din flacără şi mobilităţii acestora. Creşterea concentraţiei speciilor gazoase la temperatură ridicată duce la lărgirea benzii de absorbţie datorată creşterii gardului de ionizare a compusului de analizat şi implicit a celor neionizaţi.

Raportul mare al atomilor neexcitaţi face ca absorbţia şi fluorescenţa să aibă o sensibilitate mai înaltă faţă de emisie.

Tabelul 2. Raportul dintre numărul de atomi din stările excitată, N1, respectiv fundamentală, N0, la două temperaturi, 2000 K, respectiv 4000 K.

N1/N0 Element ∆E (eV) Lungime de

unda (nm) 2000 K 4000 K

Na 2,1 589,0 9,86·10-6 4,44·10-3 K 2,93 422,7 1,91·10-6 6,03·10-3 Y 5,97 213,9 7,31·10-6 1,48·10-4

Spectroscopia de absorbţie atomică

Metoda analizei prin absorbţie atomică (AA), introdusă în analiza chimică din anul 1952 de către australianul Sir Alan Walsh, se bazează pe fenomenul cunoscut cu aproape o sută de ani înainte (1859), descoperit de germanul Gustav Robert Kirchhoff şi anume inversia liniilor spectrale. Principiul, stabilit pe baze experimentale, se poate enunţa sub formă de lege fizică (legea lui Kirchhoff) astfel: fiecare element chimic absoarbe acele radiaţii pe care le poate emite în aceleaşi condiţii, bine determinate, de temperatură şi presiune.

Primul instrument folosit a fost o improvizaţie pentru a se obţine absorbţia atomică în cadrul unui fotometru cu flacără (un spectrometru de emisie în care excitarea atomilor se realizează într-o flacără). Acesta, ca şi celelalte instrumente care au urmat, măsoară concentraţia unui element dintr-o probă, prin determinarea absorbţiei realizate de către



atomii probei, aduşi într-o flacără sau, mai general, în fază gazoasă (la o temperatură suficient de ridicată) asupra unei radiaţii monocromatice furnizate de o sursă externă. Radiaţia respectivă este astfel aleasă încât să fie caracteristică unui anumit atom. Spectrometrul de absorbţie atomică măsoară radiaţia absorbită de atomii care rămân în stare fundamentală (neexcitaţi) în stare gazoasă.

Spectrometria de absorbţie atomică (AAS – atomic absobtion spectrometry) este o metodă foarte sensibilă (poate determina cantităţi de ordinul ppb) şi are aplicabilitate în numeroase arii: analize clinice (analiza de metale în lichidele biologice – sânge, urină etc.), analize de mediu (analiza unor elemente din ape, aer, sol, petrol etc.), procese farmaceutice (determinarea concentraţiei în produsul final a unor metale folosite drept catalizatori în cadrul proceselor de fabricaţie), industrie (verificarea produselor industriale în vederea determinării concentraţiei de metale grele), minerit (determinarea concentraţiei aurului în diverse roci pentru a estima dacă extracţia acestuia este rentabilă) etc. Principiul metodei

Ionii din soluţia de analizat, prin pulverizare (sau nebulizare) pătrund o dată cu gazul purtător într-o zonă cu temperatura ridicată şi devin atomi. Aceştia trebuie aduşi într-o stare energetică potrivită în vederea favorizării absorbţiei şi reducerii la minim a emisiei. Acest lucru se realizează la temperaturi cuprinse în domeniul 2000-3000K.

Procesul prin care proba este convertită în vapori de atomi poartă numele de atomizare. Atomizarea poate fi de 3 tipuri:

• in flacără; • electrotermală (în cuptoare de grafit); • în plasmă.

Des întâlnită în practică este atomizarea în flacără. La aspirarea soluţiei într-o flacără se petrec, într-o succesiune rapidă, următoarele

etape: • evaporarea solventului până la un reziduu solid; • vaporizarea solidului şi disocierea în atomii componenţi, care dau, într-o

primă etapă, atomi în stare fundamentală; • o parte din atomii din etapa precedentă pot fi aduşi în stare excitată, preluând

căldura din flacără şi devenind atomi excitaţi, care constituie ei înşişi surse de radiaţii.

Spectrul de emisie rezultant constă din linii caracteristice mai ales ale atomilor dar

şi ale ionilor excitaţi care pot apărea. O parte dintre atomi se pot transforma şi în alte specii MO, MOH, când nu mai iau parte la procesul de absorbţie atomică.

De aceea, pentru a se realiza o selectivitate bună, sursa de radiaţii ce emite fascicolul care urmează să parcurgă celula trebuie să fie o sursă monocromatică având o frecvenţă egală cu cea a liniei de rezonanţă a atomilor din proba de analizat (Figura 1).

E3E2

E1

E0

stare fundamentala

absorbtie

linii in emisie absorbtie de rezonanta



Figura 1. Absorbţia de rezonanţă este una din cele mai utilizate linii în analiza chimică prin absorbţie atomică

A. Walsh a fost cel care a propus primul, pentru această metodă, în calitate de

surse de lumină, nişte lămpi de construcţie specială denumite lămpi cu catod cavitar (Figura 2) care emit un spectru atomic, format din linii, caracteristice materialului (metalului) din care este confecţionat catodul. Lămpile conţin un anod din wolfram şi un cadod cavitar cilindric confecţionat din elementul ce se doreşte a fi determinat. Acestea sunt inchise într-un tub de sticlă umplut cu un gaz inert (neon sau argon) la o presiune cuprinsă între 1-5 Nm-2.

Ionizarea moleculelor de gaz are loc sub aplicarea unei diferenţe de potenţial de 300-400 V între anod şi catod. Ionii formaţi bombardează catodul smulgând atomi metalici din acesta; unii atomi smulşi se află în stare excitată şi emit, în trecerea lor în starea fundamentală, radiaţii caracteristice metalului respectiv (Figura 3).

Pb* → Pb + hν Forma catodului concentrează radiaţia într-un fascicol ce trece printr-o fereastră de cuarţ, în timp ce atomii smulşi sunt redepozitaţi pe catod. Un spectrometru de absorbţie atomică conţine de regulă mai multe lămpi, fiecare caracteristică unui anumit element ce se doreşte a fi investigat. Acestea sunt fixate într-un dispozitiv rotativ ce permite selectarea rapidă a lămpii necesare unei determinări.

Figura 2. Lampă cu catod cavitar.

+- Ne

0 Ne

+Ne

+

M0 M*

Ionizare Smulgere Excitare Emisie

Ne+

M0

+-

+-

+-

M*

M0

Radiatie

Figura 3. Procesele ce au loc în lampa cu catod cavitar.

În afara sursei, deosebită de toate sursele utilizate în celelalte metode optice, schema bloc a acestei metode (Figura 4) este identică cu spectrofotometriei de absorbţie în general. Deosebirea este aceea că, în cazul absorbţiei atomice, în loc de soluţii lichide, probele se afla în stare gazoasă într-o flacără şi nu sunt constituite din molecule ci din atomi în stare fundamentală.

Lampa cu catod cavitar

(sursa)Flacara sau cuptor

(celula)Monocromator Detector

Figura 4. Schema bloc a spectrometrului de absorbţie atomică



Legea absorbţiei radiaţiilor Analogia cu metoda spectrofotometriei de absorbţie merge mai departe şi anume

legea absorbţiei radiaţiilor în cazul unui fascicol incident, monocromatic este aceeaşi. Dacă un fascicul incident, de intensitate I0, în urma trecerii prin stratul absorbant, de grosime l, devine un fascicul de intensitate I, relaţia dintre I şi I0 este dată tot de legea Lambert-Beer scrisă diferit:

I = I0eklN unde: k este coeficientul de absorbţie atomică, l – lungimea flăcării, N – numărul de atomi, aflaţi în stare fundamentală, din unitatea de volum. Analog cu cele învăţate la spectrofotometria de absorbţie, dacă notăm cu A absorbanţa:

A = ln (I0/I) ecuaţia de mai sus devine prin logaritmarea ambilor membri:

A = klN

Deci A, pentru un atom dat, pentru parametrii fizici ai sistemului optic constanţi şi o flacără fixă, este proporţional cu N. Cum numărul de atomi din unitatea de volum N depinde de mai mulţi factori constanţi (debit, vâscozitate etc.) dar mai ales de concentraţia C a soluţiei pulverizate în flacără, introducând concentraţia în locul numărului de atomi, N, ecuaţia devine:

A = kC unde k este un coeficient constant, propriu fiecărui element la lungimea de undă aleasă şi în condiţiile unui instrument dat şi ale unei flăcări stabile. Relaţia, liniară în coordonatele A-C, este utilă pentru analiza cantitativă propriu-zisă şi exploatată cu totul analog ca în spectrofotometria de absorbţie UV-VIS. Aparatura

Schema de principiu, ilustrată anterior pentru spectrometrul de absorbţie atomică (Figura 4), poate fi completată cu mai multe amănunte (Figura 5). Între electrozii lămpii cu catod cavitar se aplică 400V şi un curent de 10-40 mA, foarte bine stabilizat, pentru a emite un flux luminos de intensitate constantă. Soluţia conţinând proba etalon, sau cea de analizat, este transformată într-un aerosol fin, în interiorul unei incinte numite sistem de pulverizare, sau pulverizator (nebulizor). Aerosolul, amestecat intim cu amestecul de gaze, oxidant plus carburant, este condus apoi în flacără.

Se pot utiliza variate amestecuri carburant-comburant prezentate în Tabelul 1. Flacăra sau cuptorul tubular din grafit (o variantă mai puţin frecvent folosită a metodei) în care se introduce proba, se extinde pe direcţia sursei de lumină, respectiv a fantei monocromatorului. Acesta selectează un interval foarte îngust din spectrul luminos.



Nebulizor

Arzator

Lampa cu catod cavitar

Flacara

Carburant(acetilena)

Aer

Proba

Monocromator Fotomultiplicator

Semnal

Figura 5. Schemă ilustrând principul funcţionării analizorului prin absorbţie atomică.

Tabelul 1. Tipuri de flăcări folosite în absorbţia atomică în funcţie de carburantul şi comburantul folosit.

Flacără Elemente de analizat

Aer+propan sau aer+oxid de carbon Li, Na, K, Mg, Ca, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, As, Mo, Ag, Au, Pb, Bi

Aer+acetilenă Aceleaşi ca mai sus dar Cr, Co, Au, Fe, Mg se determină mai bine în flacără aer-acetilenă

Aer+hidrogen sau oxigen+hidrogen Ca, Sn Oxigen+acetilenă (flacără bogată în acetilenă) Be, B, Al, Ti, V, Nb, Y, Sn, La şi lantanide

Protoxid de azot+acetilenă (N2O+C2H2) Al, Si, B, Zr

Atomii unui anumit element absorb doar lumina cu lungimea de undă specifică elementului respectiv. Tocmai aceste lungimi de undă caracteristice sunt emise de sursă şi trecute prin flacără iar diminuarea, exprimată în unită�i de absorbanţă, este proporţională cu numărul de atomi ai elementului de analizat, prezenţi în flacăra. Atomii celorlalte elemente însoţitoare nu absorb lumina la aceeaşi lungime de undă ci fiecare la alte valori ale acesteia. Acest lucru se asigură prin selectarea lungimii de undă şi cunoaşterea elementelor însoţitoare.

Detectorul, de regulă un foto-multiplicator, măsoară intensitatea luminii monocromatice, obţinută după parcurgerea unui monocromator. Metoda descrisă este o metodă relativă, adică pentru etalonare se măsoară mai întâi cel puţin o probă cunoscută (numită probă etalon). Operaţia este denumită în mod curent calibrare sau etalonare. Se lucrează de cele mai multe ori prin metoda curbei de etalonare sau prin metoda adaosului de standard.

Analiza chimică prin absorbţie atomică este extrem de specifică, lărgimea benzii de absorbţie, fiind foarte îngustă (de ordinul a 10-3 nm) face aproape imposibile orice confuzii privind analitul. De aceea cu această metodă se pot analiza 66 elemente metalice sau semimetalice, fiind puţin recomandată pentru nemetale.

Metoda analizei prin AA este principala metodă de analiză a elementelor metalice minore din materiale sau din mediu, inclusiv poluarea organismelor cu acestea. Liniile specifice cad în domeniul 190-850 nm permiţând analize de ordinul microgramelor iar în anumite cazuri chiar a nanogramelor dintr-un mililitru de soluţie. Sensibilitatea practică diferă de la element la element şi este acea concentraţie ce dă o cre�tere de 0,00434



unităţi de absorbanţă (aproximativ 1% din intensitatea luminii incidente). Aceasta se exprimă în µg/mL sau, ceea ce este acelaşi lucru, în ppm (părţi per milion).

Calibrarea

O curbă de calibrare este folosită pentru a determina concentraţia unui element dintr-o soluţie. Instrumentul se calibrează folosind soluţii stoc de concentraţie cunoscută. Se construieşte o curbă de calibrare asemănătoare celei prezentate în Figura 6. Curba reprezintă o dependenţa a concentraţiei elementului investigat de cantitatea de radiaţie absorbită. Cu cât concentraţia elementului în soluţie este mai mare cu atât absorbanţa va fi mai mare.

După construirea curbei de calibrare se trece la analiza soluţiilor de concentraţie necunoscută. Reprezentând absorbanţele obţinute pentru acestea în curba de calibrare se obţin prin interpolare concentraţiile căutate.

Concentratia

Absorbanta

Figura 6. Curbă de calibrare folosită în spectrometria de absorbţia atomică.

Majoritatea spectrometrelor de absorbţie atomică sunt cuplate la un calculator personal care trasează automat curba de calibrare şi efectuează interpolarea absorbanţelor probelor analizate, afişând direct concentraţiile căutate. Probleme speciale

În practică apar totuşi interferenţe cu alte elemente din probă, de exemplu are loc formarea unor combinaţii greu disociabile (Mg2P2O7, ZrO2 sau Ca3PO4 etc.) sau efecte legate de temperatura flăcării cu care se lucrează (prea mare sau prea mică) ceea ce afectează numărul atomilor în stare fundamentală. Acestea, indiferent de natura lor fizică, au căpătat denumirea de efect de matrice. De aceea trebuie luate contramăsuri. Toate aceste probleme se studiază individual, folosind publicaţiile de specialitate.

Pentru a se asigura o limită de detecţie cât mai joasă, este necesară neutralizarea fluctuaţiilor fondului. Pentru acest scop s-au pus la punct instrumente cu dublu fascicul, ale căror detectoare primesc alternativ semnale de la raza incidentă care, odată traversează proba (flacăra sau cuptorul) şi, alternativ, trece nemodificată sub formă de radiaţie de referinţă (Figura 7).

În cazul atomizoarelor cu flacără efectul de matrice este mai redus. În cazul utilizării cuptoarelor tubulare efectul devine foarte important datorită concentraţiei mai ridicate a acesteia.



FlacaraMonocromator Fotomultiplicator

Semnal

Sursa

Raza de referinta

Recombinator de raze

splitter

Figura 7. Instrument la care se face corecţia fondului.

Cele mai importante mijloace de corecţie a fondului sunt cele bazate pe lămpi cu deuteriu şi cele care utilizează efectul Zeeman. În cazul dispozitivelor cu lămpi cu deuteriu flacăra este traversată de lumina care iese din lampa cu catod cavitar amestecată cu raza emisă de o lampă cu arc de deuteriu (250-350 nm). Cu ajutorul unei oglinzi semitransparente şi a unui chopper, amestecul celor două raze este trimis alternativ prin flacără şi pe un drum care ocoleşte flacăra, constituind raza de referinţă. Detectorul primeşte, cu frecvenţa dictată de chopper, atât semnalul de referinţă cât şi cel de măsură, iar raportul celor două raze se înregistrează după corecţia de fond, sub formă de absorbanţă.

Rezumând, interferenţele în spectrometria de absorbţie atomică sunt de două tipuri: - Spectrale

o Cauze interne Temperatura flăcării Raportul carburant/comburant

o Cauze externe Utilizarea soluţiilor tampon de radiaţii

- Chimice o Formare de compuşi greu volatili o Formarea unor oxizi metalici o Ionizarea probei

Un mare avantaj al metodei analizei prin absorbţie atomică îl constituie posibilitatea de a utiliza solvenţi organici pentru concentrarea probei. Aceştia, prin posibilitatea lor de a extrage doar anumiţi ioni din soluţie apoasă, într-un volum mic, măresc şi sensibilitatea şi specificitatea metodei. Cei mai adecvaţi solvenţi sunt esterii şi cetonele alifatice.

Aşa cum s-a precizat la început, atomizarea probei se poate face în trei moduri: în flacără, electrotermală şi în plasmă. În funcţie de tehnica aleasă pentru atomizare distingem trei tipuri de spectrometrie bazată pe absorbţia atomică:

• FAAS (flame atomic absorbtion spectrometry); • ETA-AAS (electrothermal atomisation -atomic absorbtion spectrometry); • ICP-AAS (iductively couplated plasma-atomic absorbtion spectrometry).

O comparaţie între aceste tipuri este prezentată în tabelul 2.

Tabelul 2. Comparaţie între FAAS, ETA-AAS şi ICP-AAS FAAS ETA-AAS ICP-AAS Analiza calitativă Slabă Slabă Bună Analiza cantitativă Foarte bună Excelentă Excelentă



Cost $15000+ $30000+ $100000+ Analiză simultană multielement Dificilă Foarte dificilă Uşoară

Limita de detecţie ppm <ppb <ppb-ppt

Spectrometrul de absorbţie atomică Perkin Elmer 3300

Spectrometria de absorbţie atomică cu sursă continuă de înaltă rezoluţie (HR-CS AAS). HR-CS AAS este o alternativă reală la AAS cu sursă discontinuă (de linii). Ideea nu este nouă, ea fost prezentată în anii 1980 de către O'Haver. Din păcate la acel moment nu se putea realiza practic, deoarece nu erau optimizate elemente decisive tehnice, cum ar fi sursa şi algoritmi de corecţie necesari. Începând cu anul 2004, este disponibil pe piaţa de instrumente analitice un astfel de aparat, sistemul CS AAS care poate să utilizeze şi flacăra şi cuptorul electrotermal de grafit ca şi atomizor. În continuare vom prezenta principalele diferenţe care apar din punct de vedere instrumental între AAS clasic şi HR-CS AAS, evidenţiind şi principiile fundamentale pentru HR-CS-AAS. Avantajele HR-CS AAS

- Prezintă o singură sursă de radiaţii pentru întreg domeniul spectral UV-vis. - Este un instrument cu dublu fascicul. - Prezintă un raport S/N îmbunătăţit - Utilizează pentru analiză şi linii secundare (linii analitice) - Poate determina elemente pe baza benzilor moleculare - Realizează o corecţie reală a semnalului de fond.

HR-CS AAS – Schema optică.



Figura 8. Schema optică la HR-CS AAS.

Sursa continuă (Figura 9) Sursa continuă este reprezentată de o lampă cu descărcare în arc într-o atmosferă de xenon. Funcţionează ca un radiator continuu de radiaţii, acoperind întreaga gamă de lungimi de undă de la 185 la 900 nm. Poate fi utilizată pentru determinarea simultană de 67 elemente. Este perfect funcţională în orice moment pentru orice tip de element.

Figura 9. Sursa continuă de Xe.

Atomizorul (Figura 10). HR-CS AAS poate lucra şi cu flacără şi cu cuptor de grafit sau celulă de atomizare din cuarţ.

flacără

cuptor de grafit

celulă de atomizare din cuarţ



Figura 10. Atomizoare. Monocromatorul (Figura 11) În Figura 11 este prezentat, schematic, ansamblul monocromatorului de înaltă rezoluţie utilizat în HR-CS AAS.

Figura 11. Schemă bloc monocromator.

Legendă: 1. fanta de intrare; 2. oglinzi; 3. prismă; 4. fantă intermediară; 5. monocromator tip Echelle grating (75gr/mm, 76°); 6. ansamblu liniar de diode.

Detectorul CCD (solid state detector/charge-coupled device) (Figura 12) Acest tip de detector în comparaţie cu un detector fotonic prezintă următoarele avantaje:

- rezoluţie spaţială bună; - eficienţa cuantică mărită; - fereastra spectrală mare; - zgomot foarte redus; - permite înregistrarea unor variaţii mari în puterea semnalului (cu interval dinamic

ridicat); - precizie fotometrică înaltă; - foarte bună liniaritate.

Figura 12. Exemplu de detector CCD.

Cu ajutorul acestui tip de detector se pot identifica şi rezolva multe din problemele spectrometriei atomice de absorbţie clasică cum ar fi:

- recunoaşterea interferenţelor spectrale - recunoaşterea şi compensare a structurilor formate în flacără - recunoaşterea şi corecţia structurilor moleculare

Aplicaţii HR-CS-AAS Pe lângă aplicaţiile tipice AAS, prin noua tehnică, folosind linii analitice suplimentare se pot realiza analize de

- determinarea fosforului prin PO - benzi moleculare - determinarea sulfului prin CS – benzi moleculare



- determinarea fluorurilor şi clorurilor prin AlF şi AlCl– benzi moleculare - determinarea elementelor Se, As, Te, - determinarea simultană a mai multor elemente dintr-o probă, printr-o singură

analiză.

21

Cu Pb Fe Cd Ni Zn …

AAS-clasic

Cx

Cu, Pb, Fe, Cd, Ni, Zn…

Cu Pb Fe Cd Ni Zn

HR-CS AAS

Metoda uni element

Metoda secventiala multielement

Analiza multielement

2012-09-10-C-METODE-DE-ANALIZA-MOLECULARA-SI-ATOMICA.pdf

Documents

Transcript of 2012-09-10-C-METODE-DE-ANALIZA-MOLECULARA-SI-ATOMICA.pdf