AAS AAS (Atomska (Atomska

Apsorpciona Apsorpciona Spektrofotometrija)Spektrofotometrija)

AAS AAS (Atomska (Atomska

Apsorpciona Apsorpciona Spektrofotometrija)Spektrofotometrija)

Dr D. Manojlović, Hemijski fakultet Beograd

BH

ATOMSKA APSORPCIONA SPEKTROFOTOMETRIJA

Atomska apsorpciona spektrofotometrija (AAS) je apsorpciona metoda koja meri smanjenje intenziteta monohromatskog zračenja pri prolasku kroz atomsku paru uzorka

Atomi nekog elementa apsorbovaće samo onu energiju koja im omogućava prelaz sa nižeg na više energetsko stanje

Kako su ovi prelazi kvantirani, apsorbovana energija je strogo selektivna i zavisi od vrste ispitivanih atoma

Zbog toga je AAS je danas veoma često korišćena optička metoda, a razvojem elektromagnetne atomizacije, ona je postala jedna od najosetljivijih metoda elementne analize zajedno sa MS i ICP-MS

Iako je fenomen atomske apsorpcije poznat još od XIX veka, on je praktično korišćen samo u astrofizici

Tek 1955. god. radovima Wollsha, Alkamada, Millazza i dr. počinje njegova primena, jer oni uvode kao izvor zračenja lampu sa šupljom katodom, koja emtuje intenzivno momohromatsko zračenje

Primena kontinualnog zračenja nije pogodna:

-Optička širina apsorpcione linije je mala (poluširina na prelazi 0,005 nm), što je 10 puta manje od najmanje propusne širine monohromatora) a kontinualni izvori u tako uskoj spektralnoj oblasti mogu da daju ograničenu energiju

-Kontinualno zračenje zahteva vrlo selektivne monohromatore za izdvajanje potrebne talasne dužine

Lampa sa šupljom katodom emituje veoma usku liniju ispitivanog elementa

Iz tog linijskog spektra se obično bira najosetljivija linija

Nakon prolaska kroz plamen u kome dolazi do apsorpcije elektromagnetnog zračenje, određene talasne dužine se izdvoje, pomoću monohromatora koji se postavlja na izabranu talasnu dužinu i to obično na najosetljiviju

Atomska apsorpcija. (a) spektar cinkove katodne lampe sa linijom na 213,9 nm. (b) izdvajanje izbrane linije Zn monohromatorima. (c) apsorbovano zračenje u plamenu

Osim izvora primarnog zračenja osnovne komponente svakog atomskog apsorpcionog spektrofotometra su iste kao i kod plamenog fotometra

Prema tome svaki AAS može da posluži kao FS ako se izključi izvor primarnog zračenja, podesi visina plamena i pređe na merenje emisije

Pored lampi sa šupljom katodom koriste se i drugi izvori kao što su lučne lampe i lampe sa bezelektrodnim pražnjenjem koje se koriste u slučajevima kada je pražnjenje lampe sa šupljom katodom slabo (određivanje As, Se, Te )

Atomizer bez obzira na sastav uzorka treba da obezbedi potpunu atomizaciju uzorka a da pobuđivanje atoma bude minimalno

Danas se uglavnom koriste dva tipa atomizera i to plameni i elektrotermalni atomizeri

Plameni atomizer

Mada je plamen najpogodniji i najreproduktivniji za atomizaciju on je najmanje efikasan

Samo 0,1% ukupne mase uzorka se atomizuje u plamenu, a maksimalno 10% se unese u plamen.

Pored toga za analizu jednog elementa poterbno je raspršiti nekoliko mililitara uzorka.

Zbog toga su razvijeni elektrotermalni atomizeri koji se sve više koriste

Može se reći da ova vrsta atomizera predstavlja mini peć a efikasnost atomizacije je oko 100%, tako da to povećava osetljivost odnosno smanjuje granicu detekcije više od 100 puta

Postoje različite konstrukcije elektrotermalnih atomizera i mogu biti u obliku cevi, štapića, kivete i napravljene su od grafita prevučenog pirolitičkim grafitom koji se zagreva pomoću električne struje

Atomizeri kod ETAAS

Atomizer

Uzorak se ručno ili automatski postavlja u atomizer, gde se prvo sušu na temperaturi od 100 oC nekoliko sekundi, a zatim se zagrevanje nastavlja na 500-1400 oC čime se razaraju organske supstance a neorganske pirolizuju

Dim koji nastaje rezaranjem organske supstance odvodi se provođenjem struje inertnog gasa (Ar) da bi se sprečilo rasipanje svetlosti

Na kraju se uzorak brzo termički atomizuje na visokoj temperaturi (3000 oC)

Monohromator ima ulogu da izdvoji rezonantnu liniju (analiziranu liniju) od linije nečistoća iz katodne lampe ili gasa punioca kao i od emisije komponenata uzorka i emisije pozadine

Za ovu svrhu se uglavnom koriste spektrofotometri sa rešetkom čija je širina propusne trake od 0,1 do 0,2 nm

Kao detektor se koristi fotomultiplikator a kao indikatorski uređaj pisač ili računar

Optička shema AAS

Hidridna tehnika

Hidridna tehnika je razrađena za određivanje elemenata koji grade isparljive hidride: Ge, Sn, Pb, As, Bi, Se i Te

Ovi elementi su veoma toksični i u malim koncentracijama, a njihovo određivanje sa FAAS je malo osetljivo (As ima granicu detekcije u FAAS 1 mg/cm3)

Hidridnom tehnikom pored 100-strukog povećanja osetljvosti određivanja postiže se i izdvajanje elemenata iz složenog matriksa

Hidrid se gradi hemijskom redukcijom, danas se

kao redukciono sredstvo najviše koristi natrijum-borhidrid

Redukcija se odvija u kiseloj sredini prema sledećoj jednačini:

NaBH4 + 3H2O + HCl H3BO3 + NaCl + 8H+ + MHn + H2(višak)

Prednost ovog redukcionog sredstva je:

-reakcija je vrlo brza -može da redukuje sve pomenute elemente-može se dodavati i u obliku rastvora i tableta

Hidrid se skuplja i gasnom strujom ubacuje u kvarcnu cev koja se zagreva (atomizer)

U atomizeru se hidrid razlaže, nastaje atomska para koja apsorbuje atomsko zračenje HCL i meri se apsorpcioni signal

Aparatura za hidridnu tehniku: Zagrevanje cevi (a) plamenikom i (b) električnim putem.

Tehnika hladnih para

Tehnika hladnih para se primenjuje za određivanje žive u različitim uzorcima

Tehnika se zasniva na osobini žive da ima jako visok napon pare na sobnoj temperaturi i da je para stabilna.

Znači potrebno je Hg(II) ili Hg(I) redukovati do metala, a onda paru strujom inertnog gasa ili vazduha uneti u atomizer

Kako se neorganska i organska jedinjenja žive mogu selektivno redukavati moguće je živu u njima odrediti posebno

Slično kao i kod hidridne tehnike i ovde se dešava odvajanje od matriksa uzorka i koncentrovanje, tako da se postiže granica detekcije vrednosti pg

Kvantitativna analiza

AAS je prvenstveno kvantitativna analiza, mada se pomoću nje može odrediti i kvalitativni sastav uzorka

Uzimajući u obzir da se za svaki element mora upotrebiti druga lamapa, kvalitativna analiza jako dugo traje pa se u praksi i ne koristi

Kvantitativna analiza

Intenzitet zračenja lampe sa šupljom katodom pri prolasku kroz atomsku paru uzorka, slabi usled apsorpcije od strane atoma uzorka u saglasnosti sa Lambert-Beerovim zakonom

•

gde je :

Io-početni intenzitet zračenja

Ip-intenzitet zračenja nakon prolaska kroz atomsku paru No-broj atoma u osnovnom nepobuđenom stanju

b-dužina puta zračenjak-koeficijent apsorpcije

Kada su eksperimentalni uslovi konstantni broj atoma No proporcionalan je koncentraciji C, elementa u uzorku.

0100Nbk

p II

Intenzitet zračenja se ne menja samo usled apsorpcije od strane atoma analita nego i od drugih procesa u plazmi:

-Atomi analita koji su apsorbovali zarčenje prelaze u pobuđeno stanje, a pri povratku u osnovno emituju zračenje Ie koje uglavnom ima istu talasnu dužinu kao i apsorbovano zračenje pa se povećava Ip za deo Ie koji dopre do monohromatora

Zračenje koje potiče od radikala i molekula u plazmi takođe može da poveća emisiju

-Rasipanje svetlosti na česticama, Ir

-Apsorpcija u plazmi ili apsorpcija izazvana osnovom uzorka, Ib

Zbog toga se jednačina za Lambert-Beerov zakon mora modifikovati:

breNbk

p IIIII 0100

Doprinos Ie je srazmerno mali, zbog dela zračenja koji dolazi do monohromatora, a pored toga i broj pobuđenih atoma nije veliki

Ovo zračenje se eliminiše modulacijom zračenja primarnog izvora pre prolaska kroz atomsku paru

Ovo se može postići mehanički pomoću rotirajućeg diska sa otvorima koji prekida snop u određenom vremenskom intervalu, ili elektronski uključivanjem ili isključivanjem napajanja lampe

Veličina pozadinskog signala zavisi od talasne dužine na kojoj se meri i tipa primenjenog atomizera

Po pravilu signal pozadine je veći u UV obalsti, ispod 430 nm, delimično zato što je rasipanje svetlosti jače što je talasna dužina manja

Potreba za korekcijom pozdinskog signala mnogo je veća kod elektrotermalne atomizacije nego kod plamene

Kod elektrotermalne atomizacije neatomski signal često prelazi vrednost A=1, dok je kod plamena obično doprinos manji od 0,05 jedinica apsorbance

Smetnje u plamenu koje se javljaju na pojedinim talasnim dužinama potiču od gasne smeše (jer i molekuli gasova mogu da apsorbuju zračenje), ali ove smetnje se mogu lako eliminisati podešavanjem A=0 kada je u plamenu slepa proba

Smetnje koje potiču od rasipanja svetlosti i osnove uzorka ne mogu se ukloniti

Oksidi metala dovode do pojave smetnji (CaOH+ traka od 548 do 560 nm).

Ti, Zr, W, grade refraktorne okside, čiji je prečnik veći od talasne dužine svetlosti pa dolazi do rasipanja

U plamenu se smetnje osnove često mogu izbeći promenom analitičkih parametara kao što su temperatura i odnos goriva i oksidansa

Kod elektrotermalne atomizacije smetnje, pored toga, što potiču od apsorpcije od strane nagrađenih molekula i radikala, nastaju i od nepotpunog razlaganja osnove, zbog kratkog vremena atomizacije

Ove smetnje potiču i od čestica dima zbog nepotpunog razlaganja organske osnove, usled čega dolazi do rasipanja svetlosti

Prilikom primene elektrotermalne atomizacije uvek je neophodna korekcija pozadinskog zračenja i danas se uglavnom koriste četiri tenike uklanjana

Tehnike za korekciju pozdinskog zračenja:

-metoda dve linije

-metoda sa kontinualnim izvorom zračenja

-metoda sa Zemanovom kivetom

-Smith Hieftije-ova korekcija

Prve dve metode se koriste uglavnom u plamenoj AAS dok se druge dve koriste ugalvnom u ETAAS

Kod metode dve linije merenje intenziteta propuštenog zračenja se izvodi na dve bliske linije (talasne dužine) na kojoj apsorbuje analit

Na ovaj način se dobija apsorbanca koja potiče od analita i pozadine.

Drugo merenje se izvodi na talasnoj dužini koja se malo razlikuje od prve i na kojoj apsorbuje samo pozadina

Apsorbanca analita se dobija oduzimanjem apsorbanci.

Ova metoda ima dve loše osobine:

Talasna dužina na kojoj se meri pozadina nije uvek dovoljno blizu talasnoj dužini na kojoj se meri analit pa apsorpcioni koeficijenti za pozadinu i analit mogu biti različiti

Pored toga ovo merenje se izvodi u različitim vremenima što može dovedti do grške jer se koncentraciona raspodela čestica vremenski menja

Kod metode sa kontinualnim spektrom (deuterijumska lampa) svetlost lampe sa šupljom katodom i svetlost izvora kontinualnog zračenja prolaze alternativno kroz atomsku paru

Signal koji se dobija od apsorpcije kontinualnog izvora od strane atomske pare (atoma u osnovnom stanju) može se zanemariti, ali apsorpcija pozadine biće ista kao i apsorpcija lampe sa šupljom katodom

Odnos intenziteta dva snopa se obrađuje elektrnski i apsorpcija pozadine se automatski kompenzuje i može se korigovati do 1,0 jedinice apsorbance

Korekcija se može se izvoditi na talasnim dužinama manjim od 350 nm

Korekcija ovom metodom biće zadovoljavajuća ukoliko u pozadini nema molekulske (apsorpcije u trakama) jer apsorbanca može biti previše ili nedovoljno korigovana

Drugi nedostatak ove metode su dva svetlosna izvora, pa postoji vrmenska razlika u merenju, a i samo merenje se ne izvodi u istoj tački

Treća metoda korekcije koristi pojavu cepanja spektralne linije pod uticajem magnetnog polja

Ono je rezultat različitih energetskih promena izazvanih interakcijom magnetnog polja sa spinskim i orbitalnim magnetnim momentima elektrona.

Normalni Zeemenov efekat nastaje kada se spektralna linija u magnetnom polju cepa u tri komponente

Cepanje linije Mg (285,2 nm) 1P11S0 u magnetnom

polju

Cepanjem ove linije u magnetnom polju dobijaju se tri linije, jedna π i dve σ linije sa odnosom intenziteta 1:2:1, pri tome se π linija javlja na istoj talasnoj dužini kao i prvobitna linija

Komponente koje se dobijaju cepanjem spektralne linije u magnetnom polju su polarizovane i to π komponenta paralelno vektoru magnetnog polja, a dve σ komponente normano na pravac magnetnog polja.

Pozadinsko zračenje i rasuto svetlo nisu polarizovani

Ako se primarna, upadna svetlost alternativno polarizuje paralelno i normalno na pravac polja onda se dešava sledeće:

Oba polarizovana snopa primarnog izvora biće oslabljena na isti način kao i upadno zračenje paralelno polarizovano sa pravcem polja, zbog apsorpcije linija analita i pozadine

Ako je upadno zračenje polarizivano normalno na pravac polja, ono će biti oslabljeno samo zbog apsorpcije pozadine jer su σ komponente oslabljene i ne slabe snop

Kako se signal meri alternativno, pozadinski signal se jednostavno oduzima od signala atomska apsorpcija + apsorpcija pozadine

Instrumenti koji koriste korekciju pomoću Zeemnove kivete moraju imati polarizator i elektromagnet

Magnetno polje se može staviti oko primarnog izvora ili oko atomizera

Kada se lampa sa šupljom katodom stavi u magnetno polje onda polarizovana svetlost polazi kroz atomsku paru, a korekcija polja se izvodi sa rotirajućim polarizatorom postavljenim iza atomizera

Postavljanjem magnetnog polja oko atomizera korekcija je jednostavnija

U ovom slučaju apsorpcija koja se meri kada je magnetno polje uključeno potiče samo od pozadine.

Bez ukuljučenog magnetnog polja i analit i pozadina mogu da apsorbuju paralelno polarizovanu svetlost

Na ovaj način apsorpcija pozadine je korigovana tačno na talasnoj dužini apsorpcije linije

Smith-Hieftije-ova korekciona metoda se zasniva na principu samoapsorpcije koja se javlja u emisiji zračenja lampe sa šupljom katodom kada ona radi sa visokom strujom

Visoka struja proizvodi više atoma, dovodi do širenja emisione linije i javlja se samoapsorpcija

Intenzitet zračenja HLC lampe A-normalne struje,

B-visoke struje

Samoapsorpcija dovodi do minimuma u centru linije koja odgovara talsnoj dužini na kojoj se javlja samoapsorpcija

Instrument prvo meri I i Io dok HLC lampa radi sa normalnom radnom strujom.

Tada se meri ukupna apsorbanca (Al+f)

Zatim se kroz lampu pušta mnogo jača struja i pod ovim uslovima se meri uglavnom apsorbanca pozadine

Instrumenti sa ovom korekcijom imaju prednost nad instrumentima sa Zeeman-ovom korekcijom jer je potreban samo jedan izvor i mnogo su jeftiniji

Na osnovu svega do sada izloženog jasno je da se kvantitativna metoda može primenjivati samo pomoću standardnih uzoraka kao i kod drugih metoda spektralne analize

Pored toga neophodno je, pogotovu kod FAAS, često proveravanje uslova u plamenu unošenjem standardnog uzorka u pravilnim vremeskim intervalima i upoređivanje njegove apsorbance sa prethodno izmerenom

Promene u odnosu gasova, brzina unošenja uzorka, zapušena kapilara mogu potpuno da obezvrede analizu