Atomová absorpční spektrometrie (AAS) Kvantitativní analytická metoda Měří se absorpce záření – veličina absorbance Záření je absorbováno volnými atomy stanovovaného prvku – oblak atomů vytvořených ze vzorku. Měření se provádí se zářením vhodné vybrané vlnové délky (velice úzké rozmezí vlnových délek) – na spektrální čáře Absorbance je přímo úměrná koncentraci atomů sledovaného prvku v oblaku – úměrná obsahu tohoto prvku ve vzorku Vznik atomového absorpčního spektra
Diagram energetických úrovní elektronu v atomu:
INAN-3/1
Schéma přechodu elektronů mezi energetickými hladinami v atomu daného prvku (elektronovými orbitaly) při absorpci fotonů a při emisi fotonů
E2 E1 h
c
Atom může absorbovat jen fotony s energiemi, které se rovnají rozdílům energie některého vzbuzeného stavu a stavu základního, tzn. jen záření určitých vlnových délek. Kirchhoffův zákon: Volné atomy daného prvku absorbují záření těch vlnových délek, které jsou schopny samy vyzařovat. Emitovaných vlnových délek je více, absorbovatelné jsou jen některé z nich (tzv. rezonanční).
Měření při AAS v oblasti UV/VIS oblasti (ca. 190 – 900 nm)
INAN-3/2
Při AAS jde o energetické přechody vazebných elektronů – na vnější hladině. V této oblasti absorbují převážně atomy kovových a polokovových prvků; z nekovů jen P. Atomy nekovů mohou absorbovat fotony ještě vyšších energií než odpovídá vlnové délce 190 nm Rezonanční čáry – vlnové délky pro energetické přechody mezi základním stavem a vyšší hladinou se nazývají (ne mezi různými vyššími energetickými stavy) Měření prvku na jeho základní rezonanční čáře, je nejcitlivější a zcela specifické. Bouguerův-Lambertův-Beerův zákon
Absorpce záření – základní pojmy (platí i pro ostatní absorpční metody):
Φ0 – dopadající tok záření Φ – procházející (propuštěný) tok záření Φ - tok záření – výkon přenášený zářením (ve W, J/s) INAN-3/3
I – intenzita záření výkon přenášený zářením přes jednotkovou plochu kolmo postavenou k paprsku (W/m2) Propustnost (transmitance):
T 0
Absorbance:
0 A log log T
Zákon Bouguerův-Lambertův-Beerův:
A a l c
aλ - absorpční koeficient (někdy též extinkční koeficient, ελ) index λ značí, že je to pro měření při určité vlnové délce, že hodnota jsou závislé na vlnové délce l – tloušťka absorbující vrstvy c – koncentrace absorbující látky v absorbujícím roztoku INAN-3/4
Schéma AAS spektrometru: ZDROJ ZÁŘENÍ
ABSORBUJÍCÍ PROSTREDÍ
OPTICKÝ SYSTÉM
DETEKTOR
Metoda ke stanovování jednoho vybraného prvku ve vzorku 1. Převedení vzorku, většinou v roztoku, do atomárního stavu (např. v plameni) – vytvoření absorbujícího prostředí - volné atomy jsou v základním stavu. 2. Přes oblak atomů je vedeno záření ze zdroje takových vlnových délek, které mohou atomy stanovovaného prvku absorbovat. To je záření atomů stejného prvku jako stanovujeme (pro každý stanovovaný prvek je třeba použít jeho lampu výbojku). Absorpcí se tok záření zeslabí.
INAN-3/5
3. Monochromátorem (optický systém s mřížkou) se vydělí absorpční čára - záření určité nejvhodnější vlnové délky - obvykle základní rezonanční, která je nejcitlivější. 4. Na detektoru měříme tok dopadajícího záření před atomizací vzorku a po atomizaci vzorku a určíme zeslabení toku záření absorpcí - absorbanci, která je úměrná koncentraci atomů sledovaného prvku v oblaku volných atomů a také koncentraci prvku v původním roztoku vzorku.
INAN-3/6
Zdroje záření v AAS Záření je absorbováno ve velmi úzkém intervalu vlnových délek – na spektrální čáře příslušející danému přechodu (viz čárový charakter atomových spekter). Tak úzký interval nelze vymezit ze zdroje spojitého záření pomocí reálného optického systému (je to velmi obtížné – pokusy byly činěny). Z toho vyplývá požadavek na použití čárového zdroje záření vyzařujícího záření o takové vlnové délce, která může být atomem sledovaného prvku absorbována.
Kirchhoffův zákon: Volné atomy daného prvku absorbují záření těch vlnových délek, které jsou schopny samy vyzařovat.
výbojky s dutou katodou výbojky s parami kovů bezelektrodové výbojky 1. Výbojka s dutou katodou
Obr. Výbojka s dutou katodou
INAN-3/7
Katoda výbojky je tvořena stejným kovem, který chceme stanovovat. Elektrickým výbojem se atomy odpařují a excitují. Atomy emitují záření jen charakteristických vlnových délek – (s čárovým spektrem), které jsou volné atomy stanovovaného prvku v atomizátoru schopny absorbovat Záření určité vlnové délky by bylo možné vydělit i ze záření spojitého (např. záření žárovky), ale čára by nebyla dostatečně úzká a intenzivní. 2. Bezelektrodová výbojka Ve výbojce banička s parami těkavé sloučeniny prvku, který chceme stanovovat, energii na atomizaci a excitaci dodáváme elektromagnetickou indukcí z vysokofrekvenčního elektrického zdroje. Superlampy Laserové diody - s nastavitelnou vlnovou délkou.
Absorbující prostředí je vytvářeno atomizací vzorku
plamenem elektrotermicky (grafitová kyveta) tepelným rozkladem plynných sloučenin – hydrid stanovovaného prvku (hydridová technika) INAN-3/8
páry prvků - Hg (studené páry - cold vapor) 1. Plamenová atomizace Kapalný vzorek kontinuálně po celou stanovování nasáván do zmlžovače (nebuliser).
dobu
Obr. Pneumatický zmlžovač s mlžnou komorou Vzniklý aerosol vysušen, vypařen a atomizován v plameni.
Plamen acetylen – vzduch dosahuje teploty 2 500 K, plamen acetylen – oxid dusný 3 000 K.
INAN-3/9
štěrbina hořáku je dlouhá (dlouhý plamen), čímž je zajištěna dlouhá cesta paprsku absorbujícím prostředím. Měřená absorbance je prakticky konstantní po celou dobu nasávání vzorku. Měříme absorbanci delší dobu po několik sekund
Nevýhody: malá účinnost vzniku volných atomů z roztoku vzorku, atomizace probíhá ve složitém prostředí (produkty spalování) – zanikání volných atomů rekombinací (tj. slučováním na radikály či molekuly) ředění spalnými plyny Důsledek - nízká citlivost (vyšší meze detekce)tj. lze měřit jen vyšší koncentrace ve srovnání s dalšími způsobům atomizace. 2. Elektrotermická atomizace Grafitový atomizátor ve tvaru trubičky – grafitová kyveta.
INAN-3/10
Schéma elektrotermického atomizátoru
Jednorázové nadávkování několika mikrolitrů roztoku vzorku. Vyhřívání průchodem elektrického proudu grafitem. pomalé vysušení vzorku (teploty kolem 100°C) spálení a těkání některých nestanovovaných látek vzorku - některých složek matrice (teploty několik 100 °C) prudké vyhřátí na vysokou teplotu (nad 1000 °C; maximálně až téměř 3000°C) - vypaření a atomizace stanovovaného prvku včetně dalších látek ze vzorku - matrice (zastaven průchod inertního plynu kyvetou) vypálení kyvety – její vyčištění od zbytků matrice před dalším stanovením. Matrice - základní látky, z nichž se skládá vzorek,
INAN-3/11
Za přítomosti vzduchu v kyvetě by grafit shořel, takže atomizátor při vyšší teplotě musí pracovat v inertní atmosféře (Ar, případně N2)
grafitová kyveta
grafitová kyveta s platformou
rozžhavená platforma
Průběh měřené absorpce v kyvetě při atomizaci nadávkovaného vzorku - graf absorbance na čase Černá linie - průběh absorbance selektivní s časem se mění – pík – nárůst koncentrace volných atomů Cd při INAN-3/12
atomizaci a pak pokles v důsledku vymizení volných atomů z prostoru; jako signál měříme výšku nebo plochu absorpčního píku Modrá linie – absorbance pozadí Červená linie - průběh teploty Lze dávkovat nejen roztoky ale i jemné suspenze práškového vzorku).
Výhody a nevýhody proti plamenové atomizaci: velká účinnost vzniku volných atomů z odpařeného vzorku nakoncentrování atomů v malém prostoru nižší meze detekce – lze měřit nižší koncentrace Řada problémů je obdobná jako při atomizaci v plameni, ale při elektrotermické atomizaci jsou problémy větší větší vlivy matrice – na průběh absorpčního píku
INAN-3/13
Konečný důsledek: ve srovnání s měřením s plamenovou atomizací – větší systematické chyby měření - vychýlené výsledky, horší pravdivost měření; – větší i náhodné chyby – větší rozptyl výsledků, horší precisnost měření. Jiné techniky AAS Hydridová technika: Některé prvky (As, Sb, Bi, Se, Te, Sn, Pb) tvoří těkavé hydridy (reakcí s borohydridem sodným NaBH4). Těkavé hydridy se proudem inertního plynu vedou do křemenné trubice umístěné v plameni – tam probíhá štěpení na volné atomy, které absorbují záření. Stanovení Hg technikou studených par: Sloučeniny Hg se redukují na kovovou rtuť (SnCl2 nebo borohydrid NaBH4), páry Hg (volné atomy Hg) se vedou do skleněné trubice, kde probíhá absorpce záření. Probíhá na prakticky stejném zařízení jako hydridová technika – není třeba zvýšenou teplotou rozkládat plynný hydrid kovu.
INAN-3/14
Stanovení Hg pomocí amalgamy: Vzorek se termicky rozloží v proudu kyslíku, plynné spaliny se vedou přes vrstvu katalyzátoru (oxidy Mn), kde se buď dokonale zoxidují nebo některé absorbují. Rtuť přítomná ve vzorku se převede do formy par (volné atomy) a zachytí se (zakoncentruje) ve formě amalgámy na vrstvě Au nebo Ag o velkém povrchu (pozlacený nebo postříbřený zrnitý materiál). Ostatní plyny projdou celým následným měřicím systémem (oddělení Hg od všech látek ve vzorku). Pak se Hg termicky uvolní z amalgámy a její páry se vedou do měřicích kyvet, kde se měří absorpce záření emitovaného rtuťovou výbojkou absorpce uvolněné Hg se měří technikou AAS. Vysoce citlivá technika. Na tomto principu pracují jednoúčelové analyzátory (TMA 254 Trace Merkury Analyzer, AMA 254 Advanced Mercury Analyzer).
Zeslabení toku záření v absorbujícím prostředí: Zeslabení záření není způsobováno jen absorpcí na atomech stanovovaného prvku. Vedle specifická absorpce atomy sledovaného prvku, na níž je založeno stanovení nastává také nespecifická absorpce plynnými molekulami či radikály (molekulární) – málo závisí na vlnové délce INAN-3/15
rozptyl záření na pevných částicích v dráze paprsku (v plameni, v kyvetě) Při stanovení je třeba rozlišit specifickou absorpci záření vyvolanou atomy stanovovaného kovu od zeslabení toku záření oběma dalšími jevy tzv. korekce pozadí. Kompenzace (korekce) pozadí: deuteriová využití Zeemanova jevu – rozštěpení čar v silném magnetickém poli
Prvky stanovitelné metodou AAS Principielně lze stanovit i P, není příliš využíváno, jen vyšší obsahy
INAN-3/16
Charakteristiky AAS: o možnost stanovení většiny kovových prvků (nikoliv nekovy), o vysoká selektivita o elementární analýza, nemožnost speciace o pouze kvantitativní analýza o single-elementární metoda (pouze jeden prvek při jednom měření) o omezený lineární rozsah, častá nutnost ředění vzorků o meze detekce u plamenové AAS srovnatelné s ICP-OES o AAS s elektrotermickou atomizací (ET-AAS, GF-AAS) generace hydridů dosahuje nižších mezí detekce o velmi nízké meze detekce při stanovení Hg pomocí speciálních atomizátorů
INAN-3/17
Stanovované koncentrace 0.1 - 100 g / ml (mg / l) – F AAS 0.1 - 100 ng/ ml (g / l) – ET AAS and HG AAS citlivější o 2 až 3 řády Srovnání citlivostí s jinými spektrálními metodami F AAS ~ ICP AES ET AAS and VG AAS ~ ICP MS Využití AAS: Stanovení kovů, typicky stanovení alkalií (alkalické kovy a kovy alkalických zemin), těžkých kovů. Široké využití v environmentální analytické chemii, v uvedených oblastech nejpoužívanější spolu s ICP-OES. Bezplamenové techniky doplňují ICP-OES v oblasti velmi nízkých koncentrací. Standardizované, normované postupy. Doporučená literatura: J. Zýka (ed.): Analytická příručka. Kolektiv autorů: Instrumentální analýza. SNTL, Praha 1986. (vysokoškolská učebnice)
INAN-3/18
