ESPECTROSCOPIA DE ABSORCION Y EMISION ATOMICA

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PARTE 1.- FUNDAMENTACION TEORICA

ABSORCION Y EMISION DE RADIACION ELECTROMAGNETICA

1.1. - La Radiación Electromagnética

La radiación electromagnética (REM) es una forma de energía de la cual conocemos

varias manifestaciones. La luz es el tipo mas conocido de R.E.M., la radiación ultravioleta,

la radiación infra-roja, los rayos X, las micro-ondas, las ondas de radio también son tipos

de R.E.M.

¿En que se parecen y en que se diferencian los distintos tipos de R.E.M.?

Se parecen en que todos se transmiten en forma de ondas y se diferencian en que

las ondas tienen distinta longitud. Por ejemplo las ondas de la radiación ultra-violeta son

mas cortas que las ondas de la luz, y estas a su vez son mas cortas que las ondas de la

radiación infra-roja.

Las ondas de la luz también son de distinto tipo dependiendo de la longitud de la

onda. Por ejemplo la luz roja tiene ondas más largas que la luz amarilla y esta a su vez

tiene ondas mas largas que la luz azul.

La longitud de las ondas de la luz es muy pequeña y por lo tanto debe medirse en

manómetros (nm) que corresponde a una milmillonésima de un metro.

La luz roja está formada por ondas que miden entre unos 650 nm y uno 760 nm. La

luz azul tiene ondas que miden entre 450 y 500 nm y así cada color de luz corresponde a

radiaciones dentro de un rango dado de longitudes de onda. La longitud de onda se

designa por la letra lamba( ).

La longitud de onda de una REM esta asociada a una energía especifica por la

siguiente expresión:

E = hc/

Donde h es una constante, c es la velocidad de la luz, también constante y es la

longitud de onda. Esta expresión nos dice que la energía de una radiación es inversamente

proporcional a su longitud de onda. Por los ejemplos vistos más arriba la luz azul tiene más

energía que la roja, por ejemplo.

1.2.- Interacción Radiación-materia

Los átomos que forman la materia pueden encontrarse en dos formas principales:

Unidos a otro átomo formando una molécula o solos formando lo que se llama vapor

atómico. Por ejemplo el óxido de hierro está formado por átomos de hierro unidos a átomos

de oxígeno, a esta unión de átomos se puede llamar molécula. Por otra parte las

luminarias que alumbran nuestras calles de color amarillo contienen en su interior átomos

de sodio en estado de vapor que están totalmente solos, es decir, no están unidos a otros

átomos.

Los átomos pueden absorber Radiación Electromagnética. Cuando están formando

moléculas absorben radiación dentro de un rango amplio de longitudes de onda, por

ejemplo entre 400 y 550 nm. Sin embargo cuando los átomos están solos absorben

radiación de una longitud de onda específica. Por ejemplo los átomos de sodio absorben

radiación de 589 nm. Los átomos de cobre absorben radiación de 324,8 nm, de 327,4 nm y

de otras longitudes de onda. Cada tipo de átomo absorbe radiaciones de algunas

longitudes de onda específicas. A estas longitudes de onda se les denomina líneas de

absorción. Las principales líneas de absorción del hierro son 248,3 nm, 372,0 nm ,386,0

nm y 392,0 nm.

Esto significa que el hierro solo absorbe radiaciones de estas longitudes de onda. La

línea de 248,3 nm de hierro se dice que es la línea principal porque hay “preferencia” por

absorber esta radiación por parte de los átomos de hierro. Las otras líneas son menos

“preferidas“ en el mismo orden en que aparecen. La razón de esta diferente absorción por

un mismo tipo de átomos está en la cantidad de átomos que prefieren una línea

determinada. Por ejemplo si hacemos pasar radiación de 248,3 nm a través de unos mil

átomos de hierro, unos ochocientos átomos pueden absorber esta radiación, sin embargo

si hacemos pasar radiación de 372,0 nm solo unos cien átomos absorben esta radiación.

¿Por qué los átomos absorben y emiten energía?

Los átomos absorben radiación electromagnética porque sus electrones toman esta

energía para “saltar” a niveles más externos (mayor energía). Cuando un átomo tiene sus

electrones en los niveles de menor energía se dice que está en estado fundamental.

Cuando tiene un electrón en un nivel superior se dice que está excitado. El estado

excitado tiene una duración pequeñísima, por lo cual el electrón vuelve rápidamente a

niveles inferiores. La energía absorbida es devuelta en forma de radiación por lo tanto

observamos una emisión de energía. Cuando hacemos llegar átomos de sodio a una

llama estos absorben energía y se excitan. Al desexcitarse emiten radiación. El color

amarillo de la llama corresponde a esta emisión.

¿Porqué los átomos absorben radiaciones con una longitud de onda específica?

Cada átomo tiene una estructura propia y sus niveles de energía son fijos. Por esto si

un electrón cambia de nivel necesita una energía específica es decir radiación de una

longitud de onda fija. Por ejemplo si un electrón de un átomo de sodio “salta” desde el nivel

3s al 3d absorbe radiación de 589 nm y no otra. Al devolverse emite esa misma radiación

(luz amarilla)

¿Por qué cada tipo de átomo absorbe varias longitudes de onda?

Los niveles atómicos son múltiples por lo tanto las transiciones permitidas también lo

son.

¿Porqué los átomos de un elemento dado absorben mas de algunas longitudes que

de otras?

La mayor parte de los átomos tienen sus electrones en el nivel mas bajo de energía,

por lo tanto las transiciones más probables de ocurrir son aquellas transiciones entre este

nivel y los inmediatamente superiores.

¿Porqué los átomos que están formando moléculas no absorben una sola longitud

de onda?

En la molécula los niveles energéticos del átomo no son fijos, en consecuencia la

energía absorbida también es variable. Si hacemos pasar por un grupo de moléculas una

radiación específica solo algunas absorberán dicha energía.

PARTE 2.- EL ESPECTROFOTÓMETRO Y SUS COMPONENTES

El principio de la técnica de absorción atómica es el siguiente:

Si hacemos pasar un haz de radiación a través de una muestra en estado de

átomos libres, estos absorben parte de la radiación. La cantidad de radiación

absorbida está relacionada con la cantidad de átomos presentes en la muestra. Esto

permite medir dicha cantidad al medir la disminución de la intensidad de la

radiación.

La técnica de emisión atómica esta basada en la medición de la radiación emitida por

los átomos al ser excitados, por lo general mediante calor.

En consecuencia un instrumento consta de los siguientes componentes.

2.1.- Fuente de radiación

La radiación que pasa a través de los átomos debe ser de la longitud de onda

apropiada para que estos la absorban. Una forma de obtener dicha radiación es excitando

átomos del mismo tipo. Este es el fundamento de la Lámpara de cátodo hueco. Esta

fuente de radiación es un tubo lleno con gas inerte a baja presión con un filamento que

hace de ánodo y un cilindro hueco cuyo interior está recubierto por el elemento que se va a

analizar. Al aplicar una diferencia de potencial los átomos del cátodo se excitan y emiten

una radiación de alta intensidad. Los fabricantes de instrumentos han modificado este

diseño obteniendo lámparas con una mayor intensidad (GBC Súper lámpara, Varian UtrAA,

etc.) Estas lámparas modificadas son especialmente útiles para algunos elementos con

problemas de excitación o estabilidad.

Lámpara de deuterio. Es una fuente de radiación adicional que se usa para medir la

absorción de radiación por elementos que acompañan a los átomos (background) con el

objeto de rectificar esta distorsión. Esta lámpara no produce líneas como las de cátodo

hueco sino bandas (multitud de líneas dentro de un rango de longitud de onda).

2.2.- Sistema de Atomización

Para que los átomos absorban la radiación proveniente de la celda deben

encontrarse como átomos libres (vapor atómico). Existen diversos sistemas para llevar los

átomos a este estado. El sistema más empleado es una llama hasta la cual se hace llegar

la muestra en forma de aerosol. El quemador que sustenta la llama está antecedido por

una cámara en la cual se mezclan los gases (combustible y oxidante) con el aerosol. La

muestra es aspirada por un capilar y pasa por un mecanismo tipo ventury que la lanza al

interior de la cámara en forma de pequeñas gotas que se mezclan con los gases de

combustión. En el interior de la cámara hay mecanismos para que las gotas sean más

pequeñas y uniformes. Uno de estos mecanismos es la bola de impacto (impact bead)

sobre la cual incide el chorro saliente del ventury. El otro mecanismo es el flow-spoiler, una

especie de hélice por la cual pasan las gotas, quedando las más grandes condensadas en

la superficie. La cantidad de muestra que llega hasta la llama es muy pequeña. El resto de

la muestra es eliminado a través de un drenaje por la parte inferior de la cámara. Este

drenaje a su vez esta conectado a un sistema de seguridad que impide la comunicación de

la cámara con el colector de residuos.

Otros sistemas de atomización: Además de la llama se puede atomizar la muestra en

un Horno de Grafito, que es un pequeño cilindro en el cual se pone una gota de muestra

que es calentada por inducción. Este sistema permite detectar cantidades mucho menores

del elemento analizado.

También se puede atomizar la muestra transformándola en un gas en un reactor

desde el cual se lleva hasta el paso de radiación. El reactor puede producir un hidruro del

elemento (As y otros) o bien puede producir vapor frío (Hg).

2.3.- El Monocromador

La situación de trabajo ideal en absorción atómica sería hacer pasar un haz de luz de

una longitud de onda muy específica a través de la muestra, y que esta a su vez sólo

absorbiera dicha radiación. Sin embargo en la situación real tanto en la fuente como en la

llama hay radiaciones de distintos tipos.

El monocromador es un dispositivo que selecciona un rango muy pequeño de

longitudes de onda y solo permite el paso de las estas. Este dispositivo se ubica después

del sistema atomizador.

Básicamente el monocromador está formado por una ranura (slit) de entrada, un

elemento dispersante y una ranura de salida. Por el primer slit entra una mezcla de

radiaciones de distintas longitudes de onda. Al pasar a través del elemento o sistema

dispersante las radiaciones salen en direcciones distintas de acuerdo a su longitud de

onda. El slit de salida permite el paso de un rango muy pequeño de radiaciones con

longitudes de onda muy parecidas.

Al girar el elemento dispersante podemos hacer salir las ondas que queramos.

El ancho del slit puede ser regulado. Esto permite regular también la cantidad de

radiación que deja pasar el monocromador, pero al abrir el slit este deja pasar una mayor

variedad de radiaciones es decir una radiación menos pura.

¿Por qué es conveniente abrir el slit?

Porque esto permite que pase una mayor cantidad de energía lo cual facilita la

medición posterior de esta.

¿Por qué no es conveniente abrir el slit?

Porque existe la posibilidad de que pasen radiaciones ajenas a las que queremos

medir.

La apertura del slit está predeterminada, pero puede ser modificada de acuerdo al

tipo de análisis a efectuar. Esta apertura está indicada en nm (manómetros). Un slit de 0,5

manómetros no indica la medida de la ranura sino la diferencia de longitudes de onda que

pasan a través de ella.

2.4.- El detector de radiación

Básicamente es un sistema que transforma la energía radiante en energía eléctrica lo cual

permite a su vez procesar dichos valores transformándolos en resultados. El sistema esta

basado en el efecto fotoeléctrico es decir la emisión de electrones por una superficie

metálica al incidir sobre ella radiación electromagnética. Los dispositivos modernos

permiten amplificar el efecto mencionado permitiendo mayor precisión en el trabajo.

En términos prácticos lo más importante en la técnica es obtener una relación

señal/ruido lo mas alta posible. Esto se logra haciendo llegar mas radiación al detector

(centrando bien la lámpara, abriendo el slit). El indicador EHT (voltaje de amplificación)

debe ser lo más bajo posible.

2.5.- El procesador

El procesador, a partir de las señales eléctricas del detector puede calcular

concentración del analito. Además controla el funcionamiento del instrumento y permite

mantener el orden de los resultados analíticos.

PARTE 3.- LA LLAMA

3.1.- Tipos de Mezcla combustible-oxidante

Los tipos de llama comúnmente empleados en esta técnica son:

a.- Mezcla Acetileno- aire

b.- Mezcla Acetileno -Oxido Nitroso

La primera da una temperatura cerca de los 1000 ºC y se emplea para los elementos

que se atomizan fácilmente.

La segunda da una temperatura cercana al doble de la anterior y se emplea para

elementos que forman óxidos refractarios y por tanto es más difícil llevarlos al estado de

átomos libres. Esta llama necesita de un quemador especial (Titanio) resistente a la

temperatura de trabajo. Usualmente la ranura de salida de los gases es más corta (5 cm

v/s 10 cm). También presenta un riesgo adicional por el hecho de tener propagación más

rápida. Al disminuir el flujo de los gases la llama puede devolverse al interior de la cámara

provocando una explosión. Por esta razón esta llama no se enciende ni se apaga

directamente sino que se cambia a partir de la llama acetileno-aire, es decir se enciende

acetileno-aire, se cambia a acetileno-nitroso, se trabaja y se vuelve a acetileno-aire. Los

equipos traen además sistemas para minimizar los efectos de la explosión en caso de

producirse.

3.2.- Estructura y propiedades de la llama

Existen tratados completos sobre la estructura de la llama en los cuales se describe

las distintas zonas, su composición, temperaturas, etc.

Afortunadamente lo que necesitamos saber para la técnica de AA se limita a dos

propiedades fundamentales: temperatura y poder oxidante.

La temperatura depende del tipo de mezcla, según lo vimos anteriormente, y además

de la relación de flujos de combustible y oxidante y de la altura de dicha llama desde el

quemador.

El poder oxidante depende de los mismos parámetros.

¿Cómo encontramos la llama mas adecuada para trabajar?

El punto de partida son las recomendaciones del fabricante. A partir de estas

condiciones encendemos el equipo, aspiramos una solución con el analito y modificamos

los parámetros indicados hasta obtener la mejor relación señal/ruido posible. Esto significa

que en las condiciones encontradas la formación de átomos libres es la máxima, lo cual

nos permite una mejor medición de la cantidad total de átomos.

3.3.- El fenómeno de la atomización

Según hemos visto solo los átomos libres (no las moléculas ni los iones) absorben la

radiación adecuada para su medición. Por lo tanto el objetivo del sistema es la producción

de átomos libres.

¿Qué le sucede a una gotita de solución de NaCl que entra a la llama?

1.-Se evapora el solvente (agua generalmente) y quedan cristales de NaCl.

2.-Se funden los cristales y queda NaCl líquido.

3.-Hierve el líquido y se separan átomos de Na y Cl. Estos son átomos neutros.

4.-Los átomos de Sodio se excitan ya sea por absorber energía de la fuente de

radiación (mayoría) o energía calórica de la llama (una parte muy pequeña según el tipo de

átomos).

5.-Los átomos excitados vuelven al estado fundamental emitiendo radiación pero en

direcciones distintas.

6.-Algunos átomos de sodio pierden definitivamente un electrón transformándose en

iones que no absorben la radiación adecuada.

La separación mencionada en el punto 3 es difícil para algunos elementos que

tienden a formar óxidos muy estables (Si, Ca, Al, etc. ). Esto requiere el uso de llama de

mayor temperatura o condiciones reductoras de la llama.

PARTE 4.- INTERFERENCIAS

4.1.- Interferencias de radiación

Se puede describir como cualquier radiación que llegue al detector distinta a la línea

proveniente de la fuente, o absorción de radiación por otros elementos distintos de los

átomos del analito.

En el primer caso está la emisión de la llama. Esta interferencia es eliminada por el

instrumento modulando la señal proveniente de la fuente y descartando la señal continua.

La radiación absorbida por líneas de otros átomos cercanas a la línea de trabajo,

esto se puede eliminar trabajando con un slit más pequeño. Estas recomendaciones están

en el manual del instrumento.

La radiación absorbida por otros elementos de la llama (cristales, gases, etc.) la

elimina el instrumento mediante la lámpara de Deuterio. Esta lámpara emite una banda

que es absorbida por todos los elementos extraños de la llama. La absorción medida es

descontada a la absorción total quedando solo la absorción de los átomos del analito que

es la que necesitamos medir.

La absorción mencionada (background) es muy importante cuando se trabaja a

longitudes de onda bajo 300 nm y es obligatorio en este caso utilizar el corrector de

background. En otros casos una forma fácil de decidir es medir con y sin corrector. Si hay

diferencia apreciable en los resultados debe usarse corrector.

4.2.- Moléculas térmicamente estables e ionización

Existen elementos que forman óxidos u otros compuestos estables en la llama (Ca,

Mg, Si, Al, etc.). En el proceso descrito anteriormente llegan al estado de molécula y la

atomización es muy pobre. Esto conduce a una señal muy baja y a un error relativo muy

alto.

Los elementos fácilmente excitables por otra parte pueden perder definitivamente su

electrón y transformarse en iones, estos iones absorben radiación de otra longitud de onda,

por lo tanto constituyen una interferencia llamada interferencia de ionizacion. Esta

interferencia es particularmente importante en los elementos alcalinos y al emplear la llama

de oxido nitroso-acetileno. Para disminuir esta interferencia se adiciona a la solución de la

muestra un elemento que se ionice fácilmente lo cual aumenta la cantidad de electrones

libres impidiendo la ionizacion del analito.

4.3.- Interferencia de Matriz

Los iones, ácidos y moléculas que acompañan al analito en la muestra determinan

propiedades de la solución que a su vez influyen en el proceso de atomización. La

densidad, viscosidad y tensión superficial de la solución influyen sobre el proceso de

formación de las gotas produciendo gotas de distinto tamaño que a su vez cambian la

eficiencia de atomización.

Esta situación es particularmente grave cuando la muestra tiene una composición

muy distinta de los patrones puesto que esto distorsiona los resultados. Debemos recordar

que el equipo determina concentraciones mediante una comparación entre la muestra y un

patrón.

Cuando la matriz es conocida puede agregarse al patrón las mismas sustancias para

imitarla. Cuando la matriz es muy compleja debe emplearse el método de adición de

patrón. Este consiste en agregar a la muestra cantidades conocidas del analito y medir la

diferencia de señal producida, calibrando con el analito agregado y el aumento de

Absorbancia.

PARTE 5.- CURVAS DE CALIBRACIÓN

Fundamento : El instrumento mide la intensidad de la radiación que pasa por la llama

sola, I0 y la intensidad de la radiación que pasa a través de la llama con la muestra, I.

Luego calcula -Log I/ I0. Este parámetro se llama Absorbancia (A).

La relación entre A y concentración se conoce como ley de Beer y dice que

A= kC

Es decir que la concentración es proporcional a la Absorbancia. Esta ley sólo se

cumple para un rango pequeño de concentraciones que se conoce como rango lineal. El

rango lineal es distinto para cada elemento. En general la ley de Beer se cumple hasta

absorbancias del orden de 0,250 , pero debe ser determinado en forma práctica puesto

que es muy importante para calibrar el instrumento.

Calibración del instrumento: El instrumento se calibra introduciendo al software el o

los valores de concentración de los patrones a emplear y enseguida aspirando con el

capilar el o los patrones.

Calibración con 1 patrón: Al calibrar con un patrón el instrumento aplica la ecuación

de la ley de Beer, por lo cual solo se puede emplear esta calibración con un patrón que

esté dentro del rango lineal. Por otra parte debe emplearse un patrón de alta concentración

para que el error relativo sea mínimo en consecuencia se recomienda que este patrón esté

en el extremo del rango lineal.

Calibración con 2 o 3 patrones: Al calibrar con dos o tres patrones el instrumento

emplea ecuaciones correspondientes a curvas. Es necesario que los patrones tengan entre

sí una relación adecuada a las ecuaciones usadas. En el software del instrumento existe

una forma de revisar esta situación. Una vez hecha la calibración se puede revisar

aplicando las distintas ecuaciones y observando los resultados.

Sensibilidad: La sensibilidad es la relación entre la Absorbancia que tiene una

solución y la concentración de analito de ella. Matemáticamente corresponde a la

constante de la ecuación de la ley de Beer. Existen distintas formas de expresión de la

sensibilidad. Oficialmente corresponde a la concentración de una solución que tiene una

Absorbancia de 0,0044.

La sensibilidad determina los niveles detectables de cada elemento.

Ruido instrumental: Las mediciones de la radiación se efectúan durante un tiempo

que varía entre unos dos y cinco segundos usualmente. Durante este tiempo el

instrumento entrega varios valores de absorbancia (o concentración), los cuales difieren

levemente entre si. Esta variación de la señal es lo que se conoce como ruido instrumental.

El ruido instrumental debe ser lo mas pequeño posible para que la lectura sea confiable. El

instrumento entrega un valor promedio de las lecturas hechas y además entrega el valor de

la desviación estándar relativa ( % RSD por las siglas en ingles). Este valor corresponde a

la desviación estándar dividida por el promedio y multiplicada por cien. En la medida que la

señal (absorbancia) sea mas baja la RSD es más alta.

Limite de detección: El límite de detección es la concentración mínima que se

puede determinar con un error aceptable. Existen distintos criterios para el límite de

detección. Un criterio es el siguiente: limite de detección es la concentración que

produce una señal (A) que es el doble del ruido instrumental. Ruido instrumental es

la variación que presenta la señal del instrumento al leer una misma muestra. Se

puede asociar a la desviación estándar de la lectura.

Análisis de muestras con concentraciones altas de analito: Cuando la

concentración del analito es muy alta y se sale de la escala de calibración existen

dos alternativas principales para trabajar. Una de ellas es trabajar con el quemador

puesto en forma oblicua o perpendicular al haz de radiación. Esto permite que el haz

tenga un recorrido (camino óptico) mas corto a través de la muestra y por tanto la

señal de absorción sea menor. La otra alternativa es usar la radiación de una línea

secundaria de la lámpara. Como vimos al principio hay un menor número de átomos

que absorben de las líneas secundarias y por esta razón la señal de absorción es mas

baja.

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