СПЕКТРОФОТОМЕТРИЈА sa slikama

''Компаративна анализа спектрофотометријског и атомско-апсорпционог одређивања гвожђа у електролиту бакра''

Дипломски рад

1. УВОД

Спектрофотометрија је метода која изучава апсорпцију тачно дефинисаног монохроматског зрачења добијеног специјалним призмама или решеткама. Она представља методу одрђивања концентрације материјала у узорку мерењем количине светла коју је материјал апсорбовао. У спектрофотометрији се користи много ужи део спектра зрачења, који се од извора континуалног зрачења добија помоћу монохроматора (оптичке призме или дифракционе решетке). Апсорбовано зрачење проузрукује енергетске промене у молекулу. Од укупне количине зрачења, супстанција апсорбује само оне фреквенције, односно ону енергију зрачења каја може изазвати енергетске промене стања у атому или молекулу дате супстанције. Да би се постигла максимална тачност и осетљивост, битан је избор таласне дужине мерења. Атомска апсорпциона спектрофотометрија спада у релативне методе, тј. у методе при којима се, помоћу раствора познатих концентрација ( стандардних раствора), одређује непозната концентрација испитиваног елемента у раствору помоћу калибрационог графика. Услед различитог хемијског састава стандардних раствора и узорка, могу настати различите грешке. Ове грешке се манифестују тиме да се при истоветним концентрацијама посматраног елемента у стандарадном раствору и раствору узорка, атомизацијом добија различити број атома спсобних за апсорпцију.

Циљ овог завршног рада је одређивање концентрације гвожђа у раствору електролита помоћу две описане методе, спектрофотометријски и употребом атомске - апсорпционе спектрофотометрије. На основу добијених резултата потребно је дискутовати поузданост описаних метода за аналитичко одређивање садржаја гвожђа у испитиваном електролиту.

1



2. ТЕОРИЈСКИ ДЕО 2.1 СПЕКТРОФОТОМЕТРИЈА

Спектрофотометрија је метода која изучава апсорпцију тачно дефинисаног монохроматског зрачења добијеног специјалним призмама или решеткама. Она представља методу одрђивања концентрације материјала у узорку мерењем количине светла коју је материјал апсорбовао. У спектрофотометрији се користи много ужи део спектра зрачења, који се од извора континуалног зрачења добија помоћу монохроматора (оптичке призме или дифракционе решетке). Апсорбовано зрачење проузрукује енергетске промене у молекулу. Од укупне количине зрачења, супстанција апсорбује само оне фреквенције, односно ону енергију зрачења каја може изазвати енергетске промене стања у атому или молекулу дате супстанције. Да би се постигла максимална тачност и осетљивост, битан је избор таласне дужине мерења.

Табела 1. Подела електромагнетског зрачења са приказом таласних

дужина

Тип зрачења Таласна дужина Дејство зрачења

γ зраци 100 fm - 100 pm јонизација

χ зраци 6 pm - 100 nm јонизација

UV зраци 100 - 390 nm побуђивање електрона

VIS 390 - 800 nm побуђивање електрона

IR 800 nm - 200 μm побуђивање осцилација

микроталаси 200 μm - 10 cm побуђивање ротација

радиоталаси > 10 cm побуђивање ротацијa

2



Апсорпција зрачења у ултраљубичастој (UV) и видљивој области изазива побуђивање (ексцитацију) електрона, па се UV / VIS апсорпциона спектроскопија назива још и електронска спектроскопија. Овом методом се проучавају спектри супстанција у молекулском стању, па се на основу анализе спектра могу протумачити и структуре молекула. Носиоци апсорпције у молекулу су мале атомске групе, тзв. хромофоре. Апсорпција хромофора потиче од електронских прелаза са основног на виши ниво :

(n – σ* , n- π*, π- π* ) ,

који се дешавају због апсорпције одређених фреквенција зрачења.Уколико молекул садржи више хромофора, тада се и спектар састоји из више трака и назива се апсорпциони спектар или крива спектралне расподеле. Како апсорпциони спектар зависи од састава и структуре молекула, то се његовим тумачењем може извршити квалитативна анализа, односно идентификација анализиране супстанције.Апсорпциону траку карактерише положај траке, односно, таласна дужина на којој раствор максимално

апсорбује ( λmax ), полуширина траке ( Δλ ) и моларни апсорпциони

коефицијент (a max ) која се израчунава из Lamber – Beerovog закона :

Qmax = A maxb•c

где је :

Аmax - апсорбанција на λmax

b - дужина светлосног пута

c - концентрација раствора.

3



На слици 1 је приказана таласна дужина на којој раствор максимално апсорбује.

А max

Δλ

Amax

λmax λ

Слика 1. Апсорпциона трака

Спектрофотометрија је квалитативна и квантитативна анализа:

Квалитативна анализа се заснива на чињеници да апсорпциони спектар супстанце зависи од њеног састава и структуре. На основу ових захтева мерења апсорбанце се изводи на :

1. на таласној дужини где је апсорбанца максимална λmax

2. на таласној дужини оптималне апсорбанце λopt

Квантитативна анализа се заснива на Lambert – Beerovom закону. За израчунавање концентрације анализираног раствора најчешће се користи метода калибрационе криве.

4



На слици 2 је приказано мерење апсорбанције на којој раствор максимално апсорбује.

A λmax= … nm

Аx

O

O CX C

Слика 2. Калибрациона крива

Мерење апсорбанције врши се на таласној дужини на којој анализирани раствор највише апсорбује ( или некој другој оптималној таласној дужини ), чиме се постиже највећа осетљивост методе, која је дата коефицијентом

ΔA /ΔC .

За низ раствора познатих концентрација измере се апсорбанције на таласној

дужини λmax и конструише дијаграм А = (f / c) (слика 2.)

Из измерене апсорбанције Аx за раствор непознате концентрације, са

калибрационе криве се графичким путем одреди Cx , како је и означено на слици.

5



2.2 Спектрофотометри, састав и улога спектрофотометра

Спектрофотометри су уређаји за анализу спектра електромагнетног зрачења. Састоје се од :

извора зрачења, монохроматора, фотодетектора.

L S UR M IR K F R

Слика 3. Шема једноканалног спектрофотометра

L - извор континуалног зрачења,

S - колиматорско сочиво,

UR - улазни разрез,

M - монохроматор,

IR - излазни разрез,

6



K - кивета са раствором,

F - фотодетектор,

R - уређај за мерење и регистровање фотострује.

А ) Код апсорпционе спектрофотометрије користе се извори са континуалним зрачењем .Постоје два типа ових извора зрачења :

термички извори са електричним пражњењем.

Термичке изворе зрачења представљају лампе са влакном, односно загревном или спиралом од неког тешко топивог метала, нпр. волфрома или његове легуре.Ови извори се користе за видљиву , блиску ултраљубичасту или инфрацрвену област спектра, односно у области таласних дужина од 350- 1000 nm.Како волфрамово влакно врменом оксидише , може доћи до промене спектралне расподеле емитоване светлости, о чему се мора водити рачуна током спектрофотометријских мерења. Код савремених инструмената данас се све више користи кварц – јодна лампа у области 300 -1000 nm. Изворе са електричним пражњењем представљају водонична и деутеријумова лампа. То су кварцне цеви напуњене водоником или деутеријумом, у којима се врши електрично пражњење .Примењују се у опсегу таласних дужина од 160 – 380 nm.

Б ) Монохроматори су оптички делови спектрофотометра који издвајају монохроматску светлост , односно светлост одређене , тачно дефинисане таласне дужине.Као монохроматори се најчешће користе оптичке призме или дифракционе решетке.Светлосни зрак се прелама на граничним површинама призме и пролазећи кроз призму мења свој правац.Излазни угао светлосног зрака има различите вредности на различите таласне дужине. У видљивој области могу се користити призме од оптичког стакла,

7



јер не апсорбују видљиву област спектра. У UV области се користе само призме од кварца, јер призме од оптичког стакла апсорбују UV зрачење.

Дифракционе решетке су стаклене плочице на којима су урезане линије (отвори) на подједнаком растојању једна од друге.На местима уреза долази до дифракције светлосног снопа.Зраци веће таласне дужне имају већи угао скретања. Недостатак дифракционих решетки је у томе што дају спектре вишег реда , односно монохроматорски зрак садржи и стране таласне дужине.

Ц) Фотодетектори су уређаји који служе за мерње интензитета пропуштене светлости. Ови елементи претварају пропуштену светлост у електричну, тзв.фотострују, која се може мерити на осетљивом инструменту.Зависност интензитета фотострује и од интензитета пропуштене

светлости ( Ip ) приказана је једначином :

I = k • Ip

Фотодетектори се могу поделити у три групе :

фотодетектори са запречним слојем, гасне или вакуумске фотоћелије фотомултипликатори.

Фотодетектори са запречним слојем користе се у видљивој области спектра, са највећом осетљивошћу на 550 nm.Овај фотодетектор се састоји из три слоја:

--- први је за светлост полупропустљив , танак филм од платине, злата, сребра или олова.

--- други слој је од полупроводног материјала, најчешће селена , због чега се ова фотоћелија назива и селенска фотоћелија,

8



--- трећи слој је од гвожђа или бакра. Први слој је преко електричног проводника и осетљивог микроамперметра или галванометра повезан са трећим слојем.

Светлосни фотони довољно велике енергије пролазе кроз танак филм и избијају електроне из селена, стварајући тзв. пар слободан електро- шупљина. Због великог отпора који влада у селену као полупроводнику, електрони се усмеравају преко танког филма и спољашњег електричног кола до трећег слоја, тежећи да се интегришу са својом шупљином.Последица разлике потенцијала између првог и трећег слоја је појава струје , односно, фотострује, чији је интензитет сразмеран интензитету светлости. Ова фотоструја је довољно велика и може се мерити микроамперметром.Овој фотоћелији није потребан спољашњи извор струје, па је погодна за рад на терену.Недостатак ове фотоћелије је што интензитет фотострује опада при дужем континуалном осветљавању.

Гасна или вакуумска фотоћелија ( електронска фотоцев ) је затворена кварцна цев (или стаклена цев са кварцним прозором ) која садржи неки инертан гас под малим притиском или је под вакуумом.Катода је танак слој алкалног или земноалкалног метала који има фотоелектрична својства.Анода је у облику жице.Фотоцев је повезана са осетљивим галванометром и једносмерним извором струје.Светлост пада на површину катоде и избије електроне са површине метала, који има мали потенцијал јонизације.Електрони падају на аноду и пролазе кроз галванометар под утицајем позитивног пола извора струје, стварајући фотострују.

Цезијумова катода је осетљива у широкој спектралној области од 250 – 1200 nm, а катода је од натријума у UV области. Ова фотоћелија није погодна за рад са малим интензитетима светлости јер се добија интензитет фотострује, а тиме и мала осетљивост методе за одређивање концентрације.

9



Фотомултипликатор је уређај за мерење малих интензитета светлости.Користи се да би појачао сигнал, односно интензитет примарне фотострује.

Фотони упадне светлости који падају на катоду избијају електроне, који се усмеравају ка аноди.Због постојања електричног поља, електрони добијају велику кинетичку енергију па из суседне електроде избијају више нових електрона.Поменути процес понавља се у зависности од броја постављених динода и јачине електричног поља.На овај начин примарна фотоструја може се увећати и сто хиљада пута.

У спектрофотометру се налазе две фотоћелије ( црвена и плава ), а избор зависи од дела спектра у коме се врше мерења.Карактеристична величина је тзв. тачка прелаза, која представља таласну дужину на којој обе фотоћелије показују исту осетљивост, односно исту апсорбанцу.Она се обично налази на око 65 nm и повремено се мора контролисати.Оптички део спектрофотометра чине : калиматорско сочиво, разрез, огледала и кивете.

Оптички систем служи да усмери светлосне зраке кроз спектрофотометар, као и да смањи губитак светлосног зрака.Колиматодско сочиво служи да светлост, која се при проласку кроз улазни разрез простире на све стране, усмери у паралелном снопу ка монохроматору.Улазни разрез има улогу да буде предмет, чији се монохроматски лик формира у равни излазног разреза.Ширином излазног разреза одређује се интервал таласних дужина светлости у коме се налази светлосни талас који излази из монохроматора.Стаклене кивете се користе само у видљивом делу спектра, јер апсорбују UV зрачење, а кварцне могу да се користе и у видљивој UV области спектра.

10



2.3 Подела спектрофотометра

Осим једноканалних , постоје и двоканални спектрофотометри чија је предност у истовременом мерењу слепе пробе и анализираног раствора, чиме се избегава промена интензитета упадног зрачења, која може настати између појединачног мерења слепе пробе и узорка.

3. ЕКСПЕРИМЕНТАЛНИ ДЕО

3.1 Спектрофотометријско одређивање гвожђа у електролиту

бакра и производима регенерације електролита

У експерименталном делу овог рада је разрађена метода анализе гвожђа у електролиту бакра.Наведени су резултати предложене спектрофотометријске методе одређивања гвожђа у електролиту бакра. Испитани су оптимални услови и урађени упоредни резултати на спектрофотометру и атомско - апсорпционом спектрофотометру. Гвожђе са сулфосалицилном киселином гради низ комплексних једињења у зависности од киселости раствора. У киселој средини, у интервалу pH 1,8 – 2,5, образује се комплексни катјон моносулфосалицилата гвожђа. У интервалу pH 4-8 образује се комплексни анјон дисулфосалицилат гвожђа. У алкалној средини, у интервалу од pH 8 – 11, образује се комплексни анјон трисулфосалицилат гвожђа , док елементи који сметају се маскирају раствором Na2S2O3 . Ova метода се користи када је концентрација гвожђа до 1 %.

11



У овом раду метода је искоришћена за одређивање гвожђа у електролиту бакра.

Реагенси:

1. Сулфосалицилна киселина, раствор 100 g сулфосалицилне киселине растворен са 900 ml воде.

2. Амонијум ацетат CH3COONH4, раствор 400 g амонијум ацетата растворен са 600 ml воде,

3. Натријум тиосулфат, Na2S2O3, раствор 200 g натријум тиосулфата растворен са 80 ml воде

4. Стандардни раствор гвожђа,0,1 mgFe/ml 0.7022 g Moohor-ове солирастворен у 100 ml воде , додат 5 мл концентрационе H2SO4 и мало HNO3, загревањем испарени су азотови оксиди, охлађени, квантитативно пренети у балон од 1000 ml и балон је допуњен дести-лованом водом до црте,

5. Радни раствор гвожђа, 0.01 mgFe/ml 25 ml стандардног раствора пребачен у балон од 250 ml и дестилованом водом допуњен до црте.

Лабораторијска опрема и апарати:

уобичајено лабораторијско посуђе спектрофотометар атомски-апсорпциони спектрофотометар кварцна кивета од 4 cm

3.2 Калибрација инструмената

Пре мерења извршена је калибрација инструмената тако што је од радног раствора одмерена у балонима од 100 мл количина од 0, 2, 4, 6, 8 и 10 ml,

12



затим је додата 20 ml сулфосалицилна киселина, 20 ml амонијум ацетата и 10 ml натирјум тиосулфата. После сваког додавања раствор се добро промућкао и на крају су балони комплетирани дестилованом водом до црте. Фотометрирање се вршило уз нулти раствор. У нултом раствору се налазило све сем радног раствора.

Услови смањења су били следећи:

нормални судови од 100 ml кивете од 4 cm таласна дужина (λ) 435 nm

3.3 РЕЗУЛТАТИ И ДИСКУСИЈА

У табели 1 су дати резултати измерених апсорпција за одређене концентрације Fe2+ јона, а на основу ових вредности, констуисана је калибрациона крива приказана на слици 4.

Табела 2. Вредности добијене приликом израде калибрационе криве

Концентрација Fe mg/ml Апсорпција

0.02 0.066

0.04 0.140

0.06 0.209

0.08 0.280

0.10 0.342

13



Калибрациона крива Fe

0.4

0.35

0.3

0.25

0.2

0.15

0.1

0.05

0

0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.10 0.12

концентрација mg/mL

Слика 4. Калибрациона крива

Након конструисања калибрационе криве израчунат је кеофицијент правца (F) на основу једначине која представља однос очитане апсорбанце спектрофотометру за дату концентрацију:

F = Ac (mg)

14



Поступак одређивања је извршен на следећи начин. С обзиром да је узорак у течном стању, није била потребна никаква преддигестија.Отпипетирано је 5 ml узорка и пребачено у балон од 500 ml. Балон је допуњен до црте дестилованом водом и из тог балона су узимане аликвоте од 10 ml и пребачене у балон од 100 ml уз додатак:

20 ml сулфосалицилне киселине , 20 ml амонијум ацетата , 10 ml натријум тиосулфата.

После додавања сваког раствора балон је снажно промућкан и на крају комплетиран дестилованом водом. Овако спремљеним растворима је одмах мерена апсорбанца на спектрофотометру.

Фотометрирање се морало извршити у временском интервалу од 30 минута, јер се касније јављало замућење од издвојеног сумпора.Вредност концентрације Fe се рачунало из једначине:

Fe g / dm 3 = AxRFxG

где је :

А – апсорбанца испитиване пробе F – коефицијент правца радне криве G – одвага узорка у ml ,најчешће у 5 ml R –разблажење

Да би се одредила грешка методе, десет пута је анализиран узорак електролита и добијени резултати су статистички обрађени, а вредности су приказане у табели 3.

Табела 3.Резултати статистичке обреде података

15



Средња Стандардна Релативна Интервал

вредност девијација стандардна поверња

X S девијација(РСД) μ 95

0.296364 0.020136 6.794 ± 0.0142

Урађена је упоредна анализа две технике спектрофофотометрије и атомске апсорпционе спектрофотометрије. Техника атомске апсорпционе спектрофотометрије је изабрана као селективнија и прецизнија у односу на спектрофотометрију. Добијени резултати приказани су у табели 4.

Табела 4. Резултати упоредне анализе

ОЗНАКА %Fe %Fe

AAS SF

1 0.32 0.29

2 0.27 0.31

3 0.21 0.23

4 0.35 0.32

5 0.18 0.21

16



На основу резултата приказаних у табели представљена метода дала је задовољавајуће резултате. Одступања се крећу у дозвољеним границама за наведене концентрације .

4. ДЕРИВАТИВНА СПЕКТРОФОТОМЕТРИЈА

Деривативна спектрофотометрија је релативно нова метода чија је примена у последње време јако порасла пре свега захваљујући развоју рачунарске технике.

Примена деривативне спектрофотометрије :

погодна је при анализи вишекомпонентних система, квантитативно одређивање трагова у вишекомпонентним системима, карактеризацију чистих супстанци, елиминише или смањује апсорбанцу позадине, чиме омогућава

одређивања у суспензијама, мутним растворима,

Дериватизацијом основног спектра могуће је, тачније одредити таласне дужине максимума широких апсорпционих трака.

Добијање деривативних спектара могуће је:

1. ОПТИЧКИ,2. ЕЛЕКТРОНСКИ,3. МАТЕМАТИЧКИ.

ОПТИЧКИ :

Најмање се смањује однос сигнала и шума.

17



ЕЛЕКТРОНСКИ:

Лош однос сигнала и шума, може се користити само до четвртог извода.

МАТЕМАТИЧКИ:

Користи се полиномска интерполација, Фуријева трансформација.

ОПТИЧКА МЕТОДА добијања деривативних спектара се састоји у модулацији електромагнетног зрачења у некој области таласних дужина Δλ, која се назива интервал модулације.

Испред монохроматора се постави кварцна плочица која вибрира напред – назад за неколико степени и самим тим изводи модулацију таласне дужине упадног зрачења по синусоидалном закону :

Δλ = d • sin 2 πvt

Резултујући сигнал се детектује електронски, детектором који је подешен на фреквенцију вибрације плочице v .

Aмплитуда резултујућег модулисаног снопа биће пропорционална нагибу

апсорпционе траке унутар модулационог интервала, а самим тим и првом изводу спектра, под условом да је модулациони интервал довољно мали у односу на ширину траке.

ЕЛЕКТРОНСКА МЕТОДА деривације састоји се од повезивања електричног кола са отпорником и кондензатором (РЦ) на аналогни излаз детектора помоћу операционог амплификатора.

Овде се добија извод у финкцији времена , dA/ dt,

али се на основу познате брзине скенирања може израчунати извод апсорбанце по таласној дужини :

dAdλ = dAdt • dλdt18



Код оваквог начина добијања деривативних спектара велики утицај имају инструментални параметри као што су: брзина скенирања спектра, ширина разреза, величина појачања.

Поред тога, сваки RC уређај смањује однос сигнала према шуму за 2, што ограничава методу до четвртог извода.

МАТЕМАТИЧКЕ МЕТОДЕ деривације се данас највише користе.

Диференцирање основног спектра се изводи, било снимањем спектра ''

тачку по тачку'' (нерегиструјућим уређајем или уређајем са једним зраком) и применом формула за нумеричко диференцирање тако добијених

вредности А = f(λ) или дигитализацијом спектра снимањем региструју ћим спектрофотометрима и применом интерполације диференцирања. Најчешће се користи полиномска интерполација, Фуриерова трансформација и интерполација помоћу сплајнова.

Након тога се, помоћу одговарајућих нумеричких алигоритама овако добијене интерполационе формуле, диференцирају потребан број пута.

Разлика абсорбанци за две бесконачно блиске таласне дужине λ1 и λ2 у

основном спектру, А =f(λ), подељена величином спектралног интервала

Δλ = λ2 – λ1, представља први извод тог спектра

ΔАΔλ = lim ΔAΔλ = f (λ)

Даљим диференцирањем добијамо :

dn

d λn = f n(λ)

Ако ово применимо на апсорпциону траку Гаусовог облика, онда добијамо деривативне спектре.

19



Деривативни спектри непарног реда имају мало сличноси оригиналним спектром и сложенији су од њега. Оно што је битно за ове изводе је да

пролазе кроз нулу (секу осу таласне дужине ) апсорптивног максимума, што даје основу за квалитативну анализу.У пракси се од непарних спектара користе спектри првог реда.

Деривативни спектри парног реда имају централну тачку (пик) промењивог зрака (у другом изводу негативан, а у четвртом позитиван), праћени са две сателитске траке супротног знака знатно мањег интензитета од централне траке. Максимуми апсорпције у основном спектру одговара максимуму централне траке парног реда.

Полуширина те траке знатно је мања него ма основном спектру и трака је ужа уколико је ред спектра већи, па парни изводи имају већу примену од непарних.

20



Основна особина извода је да су амплитуде ужих трака релативно веће од амплитуда широких трака.

За n- ти извод било Гаусовске или Лоренцовске ширине траке амплитуда пика је повезана са n- тим степеном реципрочне вредности ширине траке, у основном спектру :

Dn = (1/ wn)

Због тога за траке истих апсорбанци, а различитих ширина у основном спектру, амплитуда уже траке у деривативном спектру је већа од амплитуде

шире траке за фактор који расте са порастом реда извода:DD = ( WW )n

21



Недостатак деривативне технике је у томе да однос сигнала према шуму постаје лошији прогресивно са повећањем извода.

Због тога се јавља потреба да се изведе равнање спектра како би се овај

однос побољшао и шум свео на најмању меру.

У ту сврху се користе различити нумерички алгоритми од којих су најпознатији метода А. Савитског и Е. Голаја, методе Фуријеве трансформације и метода сплајн апроксимације.

5. АТОМСКА АПСОРПЦИОНА СПЕКТРОФОТОМЕТРИЈА

5.1 Атомска апсорпција

Атоми у енергетски основном стању (Me) могу да приме одређен износ енергије (Hv) и да при том пређу у одређено енергетски више стање, тзв. ексцитовано стање (Ме*)

Me + h*V ↔Me*

Количина енергије која може да изазове прелаз атома у ексцитовано стање зависи од електронске структуре атома у основном стању , односно врсте елемената.Ако се кроз пору атома у основном стању неког елемента пропуштају електромагнетни зраци који имају управо онолику енергију која је потребна за изазивање ексцитације атома (електромагнетни зраци резонантне таласне дужине), доћи ће до апсорпције ових зрака.У ексцитованом стању атома остају око 8-10 секунди, након чега се поново враћају у основно стање, ослобађајући се вишка енергије делимично (преко

судара) као топлотне енергије, а делимично у виду електромагнетног зрачења у околни простор. Величина апсорпције, тј.смањења интензитета пропуштене светлости резонантне таласне дужине зависиће од броја атома у

22



основном стању – ''атомској пори'' - што је и основа за примену атомске апсорпције у аналитичке сврхе.

5.2 Апарати за мерење атомске апсорпције

Атомски апсорпциони спектрофотометри могу да се поделе према саставним деловима на четири основна дела:

1. емисиони део — представља погодни извор светлости резонантне таласне дужине,

2. апсорпциони део — или део за атомизацију,3. селекциони део —или монохроматор,4. мерни део —састоји се од детектора, система за појачавање сигнала

и мерног инструмента.

Зависно од тога како се врши атомизација, атомски апсорпциони спектрофотометри се могу поделити на две велике групе:

апарати код којих се атомизација врши помоћу промена, апарати са беспламеним атомизерима.

Ови апарати су новије производње и врло су распрострањени због веће осетљивости одређивања и појаве знатно мањег броја сметњи у односу на класичне промене атомске апсорпционе спектрофотометрије.

Сам процес атомизације се најчешће врши помоћу електричног лука у графитним киветама, катодним испаравањем или помоћу ласерских зрака.

23



5.3 Емисиони део

Емисиони део обухвата систем за електично напајање извора светлости и извор светлости резонантног зрачења. Како не постоји монохроматор који може произвести линије са ширином мањом од 10- 3 nm, то се у ААS као извор светлости најчешће користи лампа (цев) са шупљом катодом. Цев са шупљом катодом се састоји од стакленог цилиндра у којем је смештена шупља катода чија је унутрашња површина превучена елементима који се испитује.

Слика 5. Цев са шупљом катодом

Анода је од волфрома, насупрот катоде је смештен кварцни прозор , за оне елементе који имају резонантну таласну дужину у блиској ултраљубичастој области, или стаклени прозор за оне елементе који имају

резонантну линију у видљивој области спектра. У стакленом цилиндру се налази неки инертни гас, најчешће аргон , под малим притиском (2-4 mbara).

24



Инертни гас служи као енергетски пуфер, јер јонизациони потенцијал гаса одређује максималну енер гију ексцитације. На овај начин се спречава појава других резонантних линија које захтевају већу енергију ексцитације. Услед саопштене разлике потенцијала између аноде и катоде, долази до јонизације инертног гаса. Створени јони ''бомбардују'' унутрашњу површину шупље катоде, па долази избијања атома испитиваног елемента. Услед међусобног судара атома и судара са јонима инертног гаса, долази до ексцитације атома испитиваног елемената , а након тога до емисије електромагнетних зрака резонантне таласне дужине. До данас су успешно конструисане цеви са шупљом катодом за велики број елемената (метала). Цеви са шупљом катодом нису конструисане за елементе који имају резонантну линију у области испод 190 nm јер је спектрофотометријско мерење у овој области тешко изводљиво, а то су елементи C, H, N, O, S, P,халогени елементи и инертни гасови.

5.4 Апсорпциони део

Улога апсорпционог дела атомског апсорпционог спектрофотометра је да ствара атоме испитиваног метала у основном стању, који ће апсорбовати упадну светлост из извора светлости. Овај део је уједно и најважнији део атомског апсорпционог спектрофотометра, јер осетљивост одређивања непосредно зависи од броја насталих атома метала у основном стању по јединици запремине кроз коју пролази резонантни светлосни зрак. Да би дошло до апсорпције електромагнетних зрака резонантне таласне дужине, испитивани елемент се мора превести у атомско стање. Атомизација се врши помоћу топлотне енергије пламена или других беспламених метода. У случају примене пламена, најједноставнији начин увођења испитиваног метала у пламен је да се припреми његов раствор који се затим распршује

25



помоћу пнеуматског распршивача и у виду финих капљица раствора (аеросола) уводи у пламен.

5.5 Селекциони и мерни део

Селекциони и мерни део атомског апсорпционог спектрофотометра у суштини одговара селекционом и мерном делу UV и видљивих спектрофотометара. Улога селекционог дела код апсорпционих спектрофотометара је знатно смањена, јер извор светлости већ обезбеђује потребни монохроматски зрак, а монохроматор га само након атомске апсорпције поново издваја из околног спектра. Као монохроматори, код атомских апсорпционих спектрофотометара, се већином користе призме, ређе дифракционе решетке. Корисни интервал спектра монохроматора треба да је од 190 до 850 nm.

Призме и делови прописани за светлост се израђују од кварцног стакла. Захтеви у погледу дисперзије и моћи раздвајања монохроматора одговарају онима потребним за UV спектрофотометре средњих квалитета, јер је аналитички квалитет инструмента одређен интензитетом светлости, а затим квалитетом монохроматораи осетљивошћу детектора. Као детектор се користи фотоћелија или фотомултипликатор, чиме се повећава однос сигнал- шум што повећава прецизност коначног мерења.

5.6 Осетљивост и тачност одређивања

Атомска апсорпциона спектрофотометрија спада у релативне методе, тј. методе при којима се помоћу раствора познатих концентрација (стандардних

26



раствора), одређује непозната концентрација испитиваног елемента у раствору. Атомском апсорпционом спектрофотометријом се могу непосредно одређивати сви они елементи чије се резонантне линије налазе у области 190- 850 nm, овим условима углавном одговарају метали.

Оптимална осетљивост и тачност могу се постићи када се за дати апарат и елемент који се одређује,нађу најпогоднији услови распршивања, најпогоднији састав гаса и гаса који потпомаже сагоревање, њихова брзина струјања, висина пламена и интензитет извора светлости.

Тачност одређивања атомском апсорпционом спектрофотометријом дефинише се релативном грешком одређивања концентрације (АC• 100 /C).

При врло пажљивом раду, водећи рачуна о чињеници да су најтачнија мерења апсорпције и интервалу од 92 до 98, може се постићи минимална грешка од 0,3 до 0,8 %.

5.7 Сметње

Атомска апсорпциона спектрофотометрија спада у релативне методе, тј. у методе при којима се, помоћу раствора познатих концентрација (стандардних раствора), одређује непозната концентрација испитиваног елемента у раствору помоћу калибрационог графа.

Услед различитог хемијског састава стандардних раствора и узорка, могу настати различите грешке.Ове грешке се манифестују тиме да се при истоветним концентрацијама посматраног елемента у стандардном раствору и раствору узорка, атомизацијом добија различити број атома спасобних за апсорпцију.Сметње које се јављају у атомској апсорпционој спектрофотометрији деле се на :

27



спектралне сметње, хемијске сметње, сметње услед апсорпције позадине, јонизационе сметње, физичке сметње.

5.8 Спектралне сметње

Атомска апсорпциона спектрофотометрија је веома селективна и специфична метода.Таласне дужине, на којима апсорбују поједини елементи, добро су дефинисане, а могућност да два елемента апсорбују на истој таласној дужини је незнатна.Применом модулације емитоване светлости са шупљих катодних лампи и усклађеног појачавања ове модуловане фреквенције, практично је елиминисана могућност појаве спектралних сметњи.

5.9 Хемијске сметње

Хемијским сметњама се назива свако образовање хемијске везе посматраног елемента која омета квантитативну термичку дисоцијацију (атомизацију). Квантитативна атомизација практично се постиже из неутралних или слабо киселих водених раствора хлорида или нитрата испитиваних метала, под оптимално подешеним условима.

Хемијске сметње се према узрочницима деле на катјонске и анјонске, а према механизму њихове појаве на две групе:

28



а) хемијске сметње које настају када термичка дисоцијација испитиваног елемента није квантитативна.То се догађа када у пламену тешко топљиве соли или испарљиве соли које термички не дисоцирају у потпуности.

б) хемијске сметње које настају услед тога што атоми испитиваног елемента у основном стању, након свог настанка, врло брзо реагују са другим атомима или радикалима у пламену, па атоми нису довољно дуго у основном стању и не могу апсорбовати светлосне зраке резонантне таласне дужине .

Појава друге групе хемијских сметњи је врло карактеристичан за атомизацију у пламену.Појава обог типа сметњи зависи од хемијског састава и афинитета посматраног атома према могућим партнерима за реакцију у пламену.При овој сметњи посматрани атоми најчешће граде оксиде или оксидне радикале , хидроксиде или хидроксилне радикале, карбиде и нитриде.Већи број хемијских сметњи може се избећи или смањити повишењем температуре пламена и избором погодније хемијске околине (састав пламена) при атомизацији.Тако се већи део хемијских сметњи које се јављају може избећи применом редукујућег пламена ацетилен/ азот-субоксид , који поред више температуре(око 2750* C) поседује погоднији хемијски састав , док се на пример, у пламену ацетилен/кисеоник, који има још вишу температуту (око 3050*C), насупрот очекивању, повећава број и интензитет сметњи, због изразито оксидационих пламена.

5.10 Сметње услед апсорпције позадине

До појаве ове сметње (Background ili Matrix interference) долази услед расипања светлости на чврстим или течним честицама присутним у пламену и услед апсорпције светлости од стране молекула или радикала у

29



пламену.Узрочници појаве овог типа сметњи већином потичу из матрикса узорка.

Ефекти расипања светлости на чврстим или течним честицама, иако немају везе са апсорпцијом, уврставају се у сметње услед апсорпцијске позадине, јер су њихови крајњи ефекти слични овоме типу апсорпције, а и начин њихове компензације, односно елиминисања,истоветан је.Испитивања су показала да се овај тип сметњи ретко јавља применом посредних распршивача са добро конструисаним кондензационим коморама,ако је укупан садржај соли у раствору испод 5% и ако је радна таласна дужина изнад 300 nm.Други ефекат је права апсорпција светлости од стране молекула и радикала у пламену.До сметњи долази када резонантна линија испитиваног елемента пада у област молекуларне апсорпције молекула или радикала који се налазе у пламену.До појаве већег броја молекула у пламену долази када је пламен ниже температуре , када се одређују елементи који се лако атомизују у присуству тешко атомизирајућег матрикса, или ако неки елеменат, који се налази у већим концентрацијама у матриксу, гради са гасовима пламена оксидне молекуле.

У модернијим атомским апсорпционим спектрофотометрима уграђена је једна деутеријумова лампа као извор UV светлости.

Помоћу UV светлости мери се вредност сметњи услед апсорпције позадине и аутоматски се обавља компензација мереног сигнала на резонантној линији посматраног елемента.

5.11 Јонизационе сметње

У пламену високе температуре долази до знатне јонизације атома већег броја метала, а нарочито оних метала који имају ниже јонизационе

30



потенцијале.Јонизовани атоми више не апсорбују резонантно електромагнетно зрачење , што доводи до смањења осетљивости, а и до грешке у мерењу,ако је степен јонизације посматраног метала ииз раствора и стандардног раствора различит.У пламену постоји равнотежа између атома у основном стању и јона:

Ме ↔ Men + + ne –

До различитог степена јонизације посматраног метала у пламену долази због различитог састава испитиваних раствора, а самим тим и различитог раствора пламена.Ако је у раствору (најчешће у узорку) присутан неки други елемнт који у датом пламену такође јонизује, доћи ће до повећања концентрације електрона у пламену и тиме ће бити сузбијена јонизација посматраног метала.

Појава јонизације је и узрок закривљења калибрационе криве ка оси апсорбанције. Из наведених разлога. Показало се неопходним елиминисање појаве јонизације, нарочито оних елемената који имају ниже јонизационе потенцијале.Најједноставнији начин уклањања јонизације ,а тиме и сметње коју она изазива, јесте примена пламена нижих температура.На жалост, овај врло ефикасан начин уклањања јонизације није често примењив, јер се у пламену ниже температуре дати елеменат не може одређивати (нпр.лантаниди).Због тога се најчешће примењује метода при којој се у раствор узорка и у стандардне растворе додаје у великом вишку неки елеменат ниског јонизационог потенцијала (јонизациони пуфер), који ће у пламену јако јонизовати, најчешће калијум или цезијум.Јонизациони пуфер повећава концентрацију електрона у пламену и тиме сузбија јонизацију посматраног елемента.

31



5.12 Физичке сметње

Уопштено се физичке сметње дефинишу као сметње које се јављају услед различитих дејстава на процесе атомизације посматраног елемента из раствора узорка и из стандардних раствора.У физичке сметње спадају већ описане сметње услед апсорпције позадине, расипања светлости и јонизације, које су посебно издвојене због своје специфичности.

Физичким сметњама ће се сматрати само оне сметње које настају услед различитих физичких особина раствора узорка и стандардних раствора, тј. услед разлике у вискозности, површинском напону и густине раствора.Ове разлике у великој мери утичу на брзину распршивања и на величину распршених капљица, а тиме и на осетљивост одређиваља.Ако у раствору испитиваног узорка, поред посматраног елемента,постоји великаконцентрација (изнад 1 %) неке соли или киселине, тада се већ јављају физичке сметње.Сматра се да у оваквим случајевима већ долази до промене физичких особина раствора у односу на стандардне водене растворе посматраног елемента, па се смањује брзина распршивања и повећава просечна величина распршених капљица.Укупни ефекат овог дејства је смањење осетљивости одређивања, тј. појаве грешке у одређивању, ако стандардни раствори не садрже исту концентрацију соли.

Органске супстанце (растваривачи) могу већ и веома малим концентрацијама у раствору метала да изазову сметње, при чему могу изазвати или повећање или смањење осетљивости (мерног сигнала).У литератури се може наћи велики број објашњења начина на који различите органске материје изазивају сметње.Изазивају промену услова распршивања раствора.То је чиста физичка сметња која најчешће настаје услед промене површинског напона или вискозитета раствора.

Утичу на промену температуре пламена (термички ефекат).Изазивају редукциони ефекат у пламену, јер њиховим сагоревањем повећава се

32



концентрација угљеничних радикала у пламену.Изазивају праве хемијске сметње стварањем органских једињења са металима, комплекса или хелата. Зависно од особина или концентрације органског једињења,поменути начини дејства могу бити мање или више изражени у сумарном дејству сметњи.

33



Закључак

Спектрофотометријска одређивања у ултраљубичастој (190 – 380 nm) и видљивој области (380 - 780 nm) заснивају се на мерењу интензитета апсорбоване монохроматске светлости приликом њеног проласка кроз раствор.

Ултраљубичаста или видљива спектрофотометријска метода (UB /VIS) има велики значај у квалитативној и квантитативној анализи. Спектрофотометријске методе се изводе на инструментима велике осетљивости, репродуктивности и прецизности. Предност ових инструменталних метода јесте и брзина извођења као и њена једноставност. Апсорбанције раствора се мере на таласној дужини максимума апсорпције анализираног раствора (λmax), чиме се постиже највећа осетљивост методе.

Ова таласна дужина одређује се из апсорпционог спектра А = f ( 9λ).

У зависности од физичко – хемијских особина тј. спектралних особина анализиране супстанце , спектрофотометријска анализа може бити директна и индиректна.

Директна спектрофотометријска анализа је могућа код оних супстанци које садрже хромофорне групе које апсорбују светлост одређене таласне дужине, тј. показују јасно дефинисане спектралне особине.

Индиректна спектрофотометријска анализа се примењује када испитивана супстанца нема дефинисан максимум апсорпције или када је потребно спречити интерференцију која може настати у UV области.

Заснива се на хемијској трансформацији, тј. квантитативном превођењу испитиване супстанце помоћу одговарајућег хемијског реагенса у једињење карактеристичних спектралних особина.Додатком вишка

34



реагенса обезбеђује се квантитативност хемијске реакције, а измерена апсорбанција је сразмерна концентрацији испитиване супстанце.

35



ЛИТЕРАТУРА

1. Никола Марјановић и Боривоје Крстић, Инструменталне методе у биолошким истраживањима, Нови Сад, 1998. година

2. М. Меденица, Инструменталне методе, 3. Љубица Ротић, Практикум за вежбе, Београд, 1981. година4. Д.Манојловоћ, Инструментална анализа, Београд,5. др Владимир Томовић, Атомска апсорпциона

спектрофотометрија6. www/scribed/ com/ spectrophotometer- Theory7. http//:en.wikiperdia.org./wiki/ spektrofotometrija

36



САДРЖАЈ :

37

Documents

СПЕКТРОФОТОМЕТРИЈА sa slikama