ESPECTROSCOPIA DE ABSORCIN ATMICA EN HORNO DE GRAFITO Y GENERADOR DE HIDRUROS

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ESPECTROSCOPIA DE ABSORCION ATOMICA EN HORNO DE GRAFITO

Y GENERADOR DE HIDRUROS

La Espectroscopa de Absorcin Atmica ao con ao ha tenido mejoras tanto en el aspecto de sensibilidad como en la calidad y precisin de los resultados. Continuamente se han hecho mejoras, tanto en el logro de deteccin de cantidades cada vez mas pequeas (al nivel de ultratrazas), as como en la calidad de la seal. La necesidad de detectar cantidades menores de elementos en muestras de: fluidos biolgicos, aguas potables y residuales, componentes electrnicos, alimentos, etc. ha sido el origen de tal tcnica. Tambin, la tecnologa de horno de grafito fu el resultado de la necesidad de contar con una tcnica que emplease volmenes mnimos de muestra. A principios de los setentas se desarroll un componente esencial en un equipo de espectroscopa convencional de flama. Este consista en un tubo hecho de grafito, sobre el cual se coloca la muestra lquida o slida y de una manera controlada se lleva a cabo el proceso que ocurre en una flama de: evaporacin del solvente>formacin de sales>descomposicin de la muestra>atomizacin. Por naturales razones a esta tcnica se le llama Espectroscopa de Absorcin Atmica en Horno de Grafito, o de una manera abreviada Horno de Grafito, quedando implcito que se refiere a sta tcnica de atomizacin sin flama. Las tcnicas de Horno de Grafito tienen mucho en comn con las tcnicas de Espectroscopa en Flama. De hecho la finalidad en el Horno de Grafito es la misma que en la flama: la produccin de una nube de tomos de un elemento especfico y medir su concentracin en funcin de la cantidad de radiacin que es absorbida por la especie. Debe tenerse en cuenta que an y cuando existen similitudes, hay tambin grandes diferencias entre estas dos tcnicas. Asimismo los problemas inherentes a cada una de ellas son bien especficos. Por ejemplo: en Horno de Grafito se tiene casi siempre efectos de seal de fondo, mientras que en flama esto no es muy comn a menos que la matriz de la muestra sea sumamente compleja. DIFERENCIAS Y SIMILITUDES EN LA ATOMIZACIN EN FLAMA Y EN HORNO DE GRAFITO: En una flama ocurre lo siguiente: La muestra aspirada es convertida en pequeas gotas o sea que se forma un spray de partculas. Estas minsculas gotas, si tienen un tamao lo suficientemente pequeo y no son desechadas por el desage del nebulizador, llegan hasta el quemador, donde el solvente es evaporado y el slido resultante se funde y vaporiza para formar molculas voltiles y finalmente es disociada en tomos. Todo este proceso debe ocurrir en milsimas de segundo, que es el tiempo que dura en la flama la muestra aspirada en el nebulizador. En la tcnica de Horno de Grafito (HG) se utiliza un tubo de grafito en vez de una flama como medio de atomizacin. La muestra es colocada en este tubo y por calentamiento por el paso de una corriente elctrica por el sistema de horno de grafito, la temperatura del tubo se aumenta gradualmente, de tal forma que los procesos de: evaporacin del solvente, calcinacin, formacin de compuestos voltiles y atomizacin, ocurren en un tiempo mucho mayor que en la flama, y es posible acortar o alargar estos periodos a voluntad. Como consecuencia de esto se pueden eliminar antes de la atomizacin las substancias que se encuentran en la matriz de la muestra y que son causantes de interferencias en la tcnica de flama. Un gas inerte (generalmente argn) se utiliza como gas de acarreo, para desalojar continuamente del tubo de grafito: el solvente evaporado, los gases formados en la calcinacin de la muestra, etc.

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Cuando se llega el momento de atomizar la muestra se detiene el paso de gas inerte, si se desea que los tomos formados tengan un mayor tiempo de residencia en el tubo de grafito. El resultado final de la tcnica de horno de grafito es una mucho mayor sensibilidad, de forma tal que se pueden detectar elementos en concentracin del orden de partes por billn, mientras que en flama ordinariamente los rangos de deteccin son del orden de partes por milln. Esto es factible porque en el horno ocurren los siguientes procesos: i).-Despus del secado y la calcinacin de la muestra la cantidad de elementos susceptibles de atomizar quedan concentrados. Cuando se llega al paso de atomizacin se forma un gran numero de elementos atmicos, en mucho mayor cantidad y en forma mas eficiente que los que se obtienen en una flama convencional. En una flama la cantidad de tomos que se encuentran en ella es constante una vez alcanzado el equilibrio, ya que la cantidad de tomos formados es igual a la cantidad de tomos que escapan de la flama. En el horno de grafito los tomos son formados por una sola vez y en un corto tiempo, por lo que la seal es instantnea pero de gran intensidad. ii).-En flama, los gases producidos en la combustin arrastran los tomos producidos en la misma, por lo que su estancia en el haz de radiacin es muy corto. En la tcnica de Horno de Grafito (HG) es posible suprimir el paso de gas de acarreo, por lo que los tomos formados permanecen mas tiempo en el trayecto del haz de la lampara y consecuentemente se tiene una mayor seal en la lectura de absorbancia. iii).-En la tcnica de flama los elementos contenidos en las pequeas gotas que llegan al quemador no siempre son convertidas eficientemente en tomos, debido a que el tiempo disponible para: secado-calcinacin-volatilizacin-atomizacin, es muy corto en la flama. En HG se dispone de mas tiempo y de una forma mas eficiente de transferir energa trmica a la muestra. De esta forma tambin el proceso de formacin de tomos a partir de la muestra es mucho mas completo en HG que en flama. Sumados los efectos antes mencionados se tiene como resultado que en Horno de Grafito se tenga una sensibilidad 100 o 1000 veces mayor que la correspondiente a la tcnica de flama. Otra ventaja del HG es que la cantidad de muestra requerida para el anlisis es mnima, siendo valores en el rango de 10 a 100 l. (microlitros 1 l.=10-6 lts=10-3 ml.) por determinacin. Tambin es factible analizar por HG muestras slidas sin ninguna previa disolucin o preparacin, lo cual s es necesario en la tcnica de flama. TCNICA DE ATOMIZACION EN HG: La atomizacin en horno de grafito, como se ha indicado, tiene como finalidad el efectuar de una manera controlada a voluntad, toda la secuencia de procesos que conducen a la atomizacin. La Figura 1 ilustra de que manera se programan los diferentes pasos en el tratamiento de la muestra para lograr la produccin de un vapor de tomos. DESCRIPCION GENERAL DEL HORNO DE GRAFITO: El horno de grafito consiste de un cuerpo de acero con ciertos sensores elctricos y que acomoda en su parte central una cavidad para que sea colocado un tubo de grafito. Este tubo de grafito consiste de un tubo cilndrico hueco de aproximadamente 4 cm. de altura y 1 cm. de dimetro y con un orificio en el centro para poder inyectar la muestra lquida que se desea analizar. A travs del cuerpo de ste horno de grafito fluye agua para enfriamiento del sistema cuando as se requiera, adems de un gas inerte (argn, o nitrgeno) que sirve como gas de acarreo y de proteccin del sistema. El gas inerte fluye exteriormente al tubo de grafito para protegerlo de la oxidacin que se provocara a las altas temperaturas alcanzadas en la atomizacin. Este gas tambin fluye interiormente

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para la doble finalidad de proteger al tubo interiormente y desalojar los componentes voltiles que ah se produzcan. El calentamiento del horno y tubo se hace por medio de una fuente de poder elctrica, la cual est controlada por un microprocesador. Este microprocesador recibe instrucciones a travs de una computadora o por medio de un tablero propio para seguir una cierta secuencia de procesos como se describe mas adelante. Este microprocesador abre y cierra el gas inerte, sube la temperatura en la rampa indicada, sostiene la temperatura en el tiempo deseado, abre el flujo de agua para enfriamiento del horno despus de la secuencia del programa completo, etc. Para trabajar en el sistema se dan una serie de pasos o secuencias de tratamiento a la muestra y esta misma secuencia se hace con todas y cada una de las muestras que se inyecten una vez que se ha establecido tal programa. De esta manera se compara los valores de lecturas obtenidas en: blanco, estandards y muestras. Los pasos o secuencia que se tienen en un anlisis tpico de HG son los que a continuacin se detallan.

Figura 1: Programa tpico en HG: 0-5 seg calentamiento en rampa desde 25 hasta 120C; 5-10 seg. secado a temperatura constante de 120C por 5 seg.; 10-20 seg. calentamiento en rampa desde 120 hasta 600C en 10 seg; 20-30 seg. calcinacin a temperatura constante de 600C durante 10 segundos; atomizacin desde 600 hasta 2200C y sostenimiento de la temperatura de atomizacin durante 5 seg; 35 a 40 seg. incremento desde 2200 hasta 2400C y sostenimiento de la temperatura durante 5 seg. para limpieza del tubo y preparacin para la siguiente muestra. EVAPORACION DEL SOLVENTE: La evaporacin del solvente se lleva a cabo con un calentamiento en rampa, en el cual la muestra inyectada se calienta paulatinamente a una velocidad de 10C/seg, ya que se programa para que suba la temperatura desde 20 hasta 120C en un tiempo de 10 segundos. Es esencial la rampa en algunos pasos del pretratamiento. En este caso, la rampa es una forma de evitar un calentamiento brusco provocando que el solvente se evapore rpidamente y arrastre consigo partculas de slido que contienen el analito.

25

120

600

2200

2400

TEMPERATURA EN C

5 10 20 30 35 40

TIEMPO EN SEGUNDOS

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Despus de la evaporacin controlada del solvente se mantiene durante 5 segundos la temperatura a 120C. La temperatura es superior a la temperatura normal de ebullicin del agua para asegurar que todo el solvente se desprenda de la muestra a atomizar. Comnmente el solvente de la muestra es agua, pero estas temperaturas de secado pueden variar si el solvente es diferente: MIBC, alcohol, acetona, u otros solventes orgnicos. Los tiempos de secado as como la velocidad de la rampa dependen de la complejidad de la matriz donde se encuentra el analito y la seleccin de estos y otros parmetros dependern de los resultados y la experiencia que el analista tenga con las muestras analizadas. CALCINACION DE LA MUESTRA: Una vez seca la muestra, debern ser eliminados los componentes orgnicos voltiles que sta pueda contener. Tambin aqu es conveniente emplear una rampa para de esta manera volatilizar en forma paulatina los componentes de los mas a los menos voltiles. En nuestro ejemplo, una vez que se alcanza la temperatura de 600C se sostiene sta durante 10 segundos para asegurar la prdida de todos los voltiles Dependiendo de la complejidad de la matriz se puede tener mas de un paso de calcinacin de la muestra. Esto tambin ser seleccin del analista de acuerdo a su experiencia en las muestras analizadas. Tanto en el secado como en la calcinacin, est fluyendo en forma interna y externa al tubo de grafito gas inerte o gas de acarreo, para expulsar del tubo los componentes voltiles que ah se producen y evitar que causen absorcin o dispersin de la radiacin en la atomizacin del analito. ATOMIZACION: Una vez que se han separado el solvente y los voltiles orgnicos se produce la atomizacin de los componentes residuales de la muestra. En este paso se eleva drsticamente la temperatura utilizando el mximo de potencia del equipo para alcanzar la temperatura de atomizacin en el menor tiempo posible (en este caso 2200C). En este paso de atomizacin se interrumpe momentneamente el flujo de gas inerte o gas de acarreo en la parte interior del tubo de grafito, para permitir que los tomos producidos en el calentamiento permanezcan la mayor cantidad de tiempo en el eje ptico por donde atraviesa el haz de radiacin de la lmpara de ctodo hueco y de esta manera la seal registrada sea mas fuerte e intensa. LIMPIEZA DEL TUBO: Despus que la muestra se ha atomizado, se abre el gas inerte o de acarreo y se incrementa unos 100C la temperatura (en este caso hasta 2400C) y se mantiene durante un corto tiempo (5 segundos en este caso). La finalidad de este ultimo paso es calcinar y volatilizar el residuo de material que pudiese existir de la muestra analizada, esto para evitar que la siguiente muestra que sea inyectada para su anlisis se contamine con residuos de la muestra anteriormente procesada. ENFRIAMIENTO DEL SISTEMA: Despus del paso de limpieza, el sistema del horno se enfra por medio de agua que fluye a travs del cuerpo que rodea el tubo de grafito y una vez que el horno alcanza la temperatura ambiente se inyecta la siguiente muestra a analizar. LECTURA DE LA SEAL: La seal generada en un anlisis tpico de HG es muy rpida y debe ser procesada en tal forma. Anteriormente un graficador haba sido la forma en que se registraban las seales de un horno de grafito. Los recientes avances en computacin y electrnica han permitido que sea posible medir y tener una lectura en una pantalla de: Absorbancia (altura del pico); Absorbancia-Segundos (rea del pico, Figura 2) o directamente en concentracin. Debido a que estos instrumentos son sumamente rpidos al obtener una seal e integrarla, prcticamente no hay distorsin de sta como si puede ocurrir al obtener la seal en un graficador. Tanto la altura del pico como el rea del pico son proporcionales a la concentracin y de sta manera se puede relacionar la lectura, pero por experiencia se sabe que se obtiene la mejor linearidad en las curvas de calibracin cuando se utiliza la funcin "Peak Area" o rea del pico.

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Figura 2: Registro de la seal de atomizacin como altura de pico (Abs.) area del pico (Abs.-Seg.)

TUBOS DE GRAFITO: Existen dos tipos de tubos de grafito; uno es de grafito de alta densidad, espectralmente puro. El otro es del mismo material, pero est recubierto con una delgada capa de grafito piroltico. Ambos tubos tienen pequeas ranuras en la superficie interna del tubo, cerca de cada terminal, lo cual se hace con la finalidad de tener un perfil de temperatura mas uniforme, lo cual favorece una descomposicin mas efectiva de la muestra. Tambin estas ranuras evitan que la muestra se difunda hacia las partes mas fras del tubo de grafito (Figura 3). Para soluciones acuosas, es posible trabajar con muestras de hasta 125 microlitros (l.). Para muestras disueltas en solventes orgnicos se recomienda no utilizar volmenes mayores de 50 l. Los tubos normales de grafito son algo porosos, lo cual permite que ciertos materiales y elementos penetren en la estructura, donde pueden reaccionar con el grafito si la temperatura es lo suficientemente elevada. Los oxidantes poderosos pueden destruir fcilmente el tubo de grafito si esto ocurre. Tambin es mas frecuente que en este tipo de tubos se presenten mayores interferencias debido a que las substancias causantes de esto son retenidas y solo se desprenden de la superficie del tubo cuando la temperatura es lo suficientemente alta (generalmente durante la atomizacin). Estos tubos de grafito son muy tiles para ciertos elementos y en algunas circunstancias. Los tubos de grafito recubiertos con material piroltico tienen una superficie mas densa, lo cual impide la penetracin del solvente, por lo que tambin estos son muy utiles en algunas aplicaciones especificas. Para elementos que forman carburos refractarios (ejemplo: B, Mo, Ti, U, V, Lantnidos, etc.) los tubos recubiertos con material piroltico ofrecen mayor sensibilidad y reducen el llamado "efecto de memoria". Cuando se trata de atomizar elementos de bajos puntos de ebullicin como: Cd, Se, As, Pb, etc. los tubos de grafito pirolticos no ofrecen ninguna ventaja sobre los tubos convencionales. Sin embargo, si la matriz en que se encuentran estos elementos es compleja como por ejemplo: cloruros, sulfatos, etc. los tubos piroliticos ofrecen la ventaja de no producir tanta interferencia debido a que la matriz no es absorbida por el tubo de grafito. Tambin cuando la muestra est disuelta en cidos minerales oxidantes, los tubos piroliticos tienen mayor durabilidad debido a su superficie impermeable. La vida promedio de los tubos de grafito es de 50 a 300 determinaciones, lo cual varia dependiendo de los parmetros utilizados en la tcnica de HG como son: tiempo y temperatura de atomizacin, tipo y pureza del gas inerte, naturaleza de la muestra, etc. La forma de saber cuando los tubos de grafito deben reemplazarse es en el momento en que la sensibilidad de estos decrece en un 20-25% respecto al valor de sensibilidad que se tenia originalmente. Tambin es sntoma de envejecimiento del tubo la perdida de precisin, esto es, la no reproducibilidad de los resultados.

h=altura del pico=Abs.

TIEMPO (SEGUNDOS)

INTENSID

AD DE LA SEAL

(ABSORBANCIA

)

Area= Abs.Seg

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Para una vida mas larga de los tubos de grafito, es deseable un tiempo corto y una temperatura de atomizacin lo mas bajo posible. Temperaturas de atomizacin mayores de 2650C y tiempos de atomizacin de mas de 5 seg. son raras veces justificables.

Figura 3: Tubo de Grafito y detalles del mismo MODIFICADORES DE MATRIZ: Una diferencia mnima en temperaturas entre el paso de pretratamiento y de atomizacin, y por lo tanto una seal mas limpia, se garantiza si se emplean altas temperaturas de pretratamiento y bajas temperaturas de atomizacin. Se pueden emplear altas temperaturas de pretratamiento cuando se emplea un adecuado modificador de matriz, lo cual resulta en la formacin de un compuesto que sea trmicamente mas estable y que resista sin descomponerse altas temperaturas de pretratamiento. Tambin, con el uso del modificador de matriz el elemento es mas estable, y en la atomizacin desde la plataforma se volatiliza en un periodo mayor, lo cual permite que se acerquen mas las condiciones a el equilibrio trmico. Es por esta razn que an para soluciones de matriz simple se recomienda el uso de modificador de matriz. INTERFERENCIAS: Las interferencias son clasificadas en dos tipos: i).-Interferencias Espectrales: Las que se deben a el aislamiento incompleto de la lnea emitida o absorbida por el elemento a analizar. ii).-Interferencias No Espectrales: Toda Seal ajena a la seal del analito y que no tiene como causas la distorsin en la linea absorbida o emitida. INTERFERENCIAS ESPECTRALES: Las principales interferencias espectrales ocurren en AA por: Absorcin de radiacin por traslapamiento de las lneas atmicas o moleculares emitidas por elementos y substancias que se encuentran en la matriz, con la lnea absorbida o emitida por el elemento a analizar. Dispersin de la radiacin emitida por la fuente, por partculas slidas no voltiles formadas por efectos de la matriz.

1: RANURA PARA INTRODUCCION DE MUESTRA Y SALIDA DE GASES

2: CUBIERTAS OPTICAS DEL TUBO DE GRAFITO

3: HAZ DE RADIACION DE LA LAMPARA

4: FLUJO INTERNO Y EXTERNO DE GAS INERTE PARA PROTECCION DEL TUBO DEGRAFITO Y ACARREO DE LOS GASES PRODUCIDOS.

1

2

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El traslapamiento directo de las lneas del elemento en anlisis, con lneas atmicas de elementos atmicos que acompaan al analito, es extremadamente raro en AA si se utiliza una abertura de slit lo suficientemente pequea. Adicionalmente este efecto es independiente del tipo de atomizacin empleado, por lo que si se tiene la experiencia en flama de que no hay interferencias espectrales de este tipo, tampoco las habr en horno de grafito. Los mas frecuentes tipos de interferencias en HG son interferencias espectrales por lneas moleculares de las especies formadas en la atomizacin, asi como por dispersin de la radiacin por partculas slidas volatilizadas en la atomizacin de la muestra. Estos dos efectos son llamados "Atenuacin por Seal de Fondo", "Absorcin de Fondo" o mas simplemente "Seal de Fondo". Lo cual significa en AA que parte de la radiacin que emite la fuente primaria es absorbida por especies atmicas o moleculares que se encuentran formando parte de la matriz, o que es dispersada por partculas slidas que se volatilizan en la atomizacin de la muestra. Tanto la absorcin por especies diferentes al analito como la dispersin de la radiacin dan origen a falsas absorbancias y seales no deseadas, que como se menciona anteriormente, recibe el nombre de seal de fondo. Las formas en que se puede corregir por efectos de la seal de fondo, es por medio del uso del efecto Zeeman y por el uso de una fuente continua de radiacin. Con el uso de una fuente continua para correccin por absorcin no atmica, se efecta una compensacin de la radiacin que es absorbida de la fuente primaria de la siguiente manera: radiacin de la fuente de lneas y de la lampara de radiacin continua (lampara de deuterio), son pasadas alternativamente por el atomizador. El elemento atmico a determinar absorbe nicamente radiacin de la fuente primaria (lampara de ctodo hueco o de descarga sin electrodos), mientras que si existen especies moleculares estas absorben radiacin tanto de la fuente de lneas como de la lampara de radiacin continua y lo hace en la misma proporcin. De esta manera cuando la relacin de intensidad de los dos haces (el de lneas y el de fuente continua) es detectado, el instrumento corrige electrnicamente por este efecto y la absorcin por especies no atmicas es compensada en la lectura de absorbancia. Las limitaciones de los sistemas de fuente continua para correccin por seales no atmicas, son las que se enumeran a continuacin: . 1).-nicamente atenuaciones del orden de 0.5 a 1.0 de Absorbancia pueden ser compensadas. 2).-nicamente se puede corregir adecuadamente, por dispersin y absorcin molecular que es continua dentro del ancho de banda espectral. Las adsorciones moleculares de estructura fina que puedan ocurrir, o la absorcin de radiacin en forma discontinua dentro del rango espectral utilizado, automticamente conduce a una sobrecompensacin en la seal. 3).-Si parte de la radiacin emitida por la fuente de radiacin continua, es absorbida por tomos presentes en la muestra que no son del analito en estudio, tambin se tendrn resultados errneos. 4).-Se requieren de dos lamparas para corregir dentro del rango de longitudes de onda empleados en AA. Una de ellas es la lampara de deuterio que cubre un rango de 195 a 320 nm y otra lampara de halgeno para corregir en el rango de 300 a 800 nm. Para correccin por absorcin no especifica con el efecto Zeeman no existen estas limitaciones. Esta tcnica que esencialmente consiste de un campo magntico modulado y que es transversal al horno de grafito, da origen a que las lneas atmicas sean desdobladas en tres o mas componentes, como efecto de un fuerte campo magntico aplicado. Si este campo magntico pulsado es aplicado a los tomos del analito en el horno de grafito, una compensacin ideal por seal de fondo se logra al hacer incidir el haz de la lampara de lneas sobre la muestra. Cuando el campo magntico est apagado, la absorcin de la radiacin se debe a los tomos del analito as como a los componentes de la matriz que producen

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absorcin no atmica. Con el campo magntico encendido, los niveles de energa del tomo del elemento en anlisis son ligeramente diferentes de los niveles de energa originales del tomo que no se encuentra sometido al fuerte campo magntico. As las lneas de resonancia son desplazadas y bajo estas condiciones los tomos del analito no absorben la radiacin emitida por la fuente de lneas. De esta manera la absorcin se debe nicamente a las especies no atmicas que causan seal de fondo y el aparato puede compensar por este efecto, ya que alternadamente est recibiendo la seal del analito con la seal de fondo (campo magntico apagado) y nicamente la seal de fondo (campo magntico encendido). La diferencia entre la primera y la segunda seal es la absorbancia neta del analito. Con el corrector de seal de fondo con efecto Zeeman, no se requiere de una fuente de radiacin adicional y permite compensaciones por absorcin no especifica de hasta 2.0 unidades de absorbancia. Adicionalmente, con el efecto Zeeman es posible corregir por seal de fondo debido a compuestos moleculares que absorben en un amplio rango de longitudes de onda, por componentes de estructura fina y por dispersin de la radiacin. Con un corrector de seal de fondo por efecto Zeeman, es menos problemtico controlar la absorcin no atmica, sin embargo, se deben seguir los mismos lineamientos apara evitar en lo posible este indeseable efecto.

MUESTREADOR AUTOMATICO EN HG: Adems del problema continuo de la presentacin de interferencias en horno de grafito y la consecuente necesidad de su correccin, otro de los grandes inconvenientes de la tcnica de HG es que cuando no se tiene un muestreador automtico, existe la posibilidad de prdida de reproducibilidad en los resultados cuando la tcnica de inyeccin de la muestra de analito en el tubo de grafito no se hace con el cuidado y la reproducibilidad requerida. Si la inyeccin de la muestra es manual, el analista deber aspirar la muestra con una micropipeta e introducir sta al tubo de grafito a travs del orificio que dicho tubo tiene dispuesto. La inyeccin o colocacin de la muestra lquida en el tubo deber hacerse teniendo cuidado de que la inclinacin de la micropipeta sea la misma entre muestra y muestra, as como la penetracin de la punta de la pipeta y la velocidad a la cual se baja el pistn de la micropipeta para depositar la muestra. Si esto no se hace en la misma forma entre cada solucin inyectada existe la posibilidad de que la muestra liquida en el tubo no quede siempre en la misma posicin y se puedan generar diferencias en el patrn de secado, calcinacin y atomizacin entre blanco, muestras y estandards. Adicionalmente a lo anterior, a diferencia de lo que ocurre en flama, donde las muestras se analizan continuamente y en pocos segundos, en HG la secuencia de pasos en secado, calcinacin, atomizacin, enfriamiento, etc. puede tomar de tres a cinco minutos, dependiendo de la complejidad de la muestra y lo largo del programa. Esto necesariamente conduce al fastidio y una baja productividad del analista, lo cual afecta la cantidad y calidad de los resultados. Los avances en robtica y microprocesadores han resuelto este problema, ya que actualmente existen sistemas automuestreadores, los cuales se programan para que en forma automtica y repetitiva, tomen cada muestra, sigan su secuencia de pasos y registren en la memoria de un procesador de computadora los resultados obtenidos. En este caso se pone un carrousel de 50 o 100 muestras y despus, al trmino de las muestras, se cambia el carrousel si es necesario. Tambin es obvio que en el mismo carrousel se puede cambiar la lmpara y los parmetros del instrumento para analizar la misma muestra por otro elemento diferente. Por lo tanto es conveniente contar con un equipo de automuestreo si se desea liberar al analista de una intil y excesiva carga de trabajo y al mismo tiempo tener resultados de mayor exactitud y precisin TCNICA DE GENERACION DE HIDRUROS: Aparte de las tcnicas convencionales de flama y horno de grafito existe una tercera que es llamada tcnica de generacin de hidruros y de vapor en fro. Aunque sta se describir mas adelante con mayor detalle, podemos decir que este tipo de espectroscopia de absorcin atmica tiene grandes ventajas sobre las dos primeras, sin embargo, esta tcnica de genera-

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cin de hidruros y de vapor en fro solo puede aplicarse a elementos que forman hidruros voltiles en condiciones normales (arsnico, bismuto, selenio, teluro y estao) o que con un apropiado agente reductor liberan el metal, el cual es voltil a temperatura ambiente, como es el caso del mercurio. La tcnica de Generacin de Hidruros (GH) da excelentes resultados en lo referente a sensibilidad, ya que esta es cinco o diez veces mayor que la que se obtiene en HG, para los elementos anteriormente mencionados. Este mayor limite de deteccin se debe a que el vapor metlico es producido en un volumen relativamente grande de muestra (de 20 hasta 50 mililitros), por lo que se obtiene una seal momentnea pero muy intensa. Otra de las grandes ventajas y atractivos de la tcnica de GH, es que: a diferencia de la tcnica de horno de grafito es posible aislar completamente el elemento o el hidruro del elemento de las substancias que acompaan a la muestra. Esto tiene como consecuencia que prcticamente no se tengan interferencias por efectos de matriz, lo cual es muy frecuente (y muy problemtico) en HG.

Tabla 1: Comparacin en los limites de deteccin entre las tcnicas de Horno de Grafito (HG) y Generacin de Hidruros (GH). Las concentraciones son en ppb o g/lto. Volumen de muestra HG=100 l; GH=50 ml.

Elemento Horno de Grafito Generador de Hidruros

As 0.20 0.01 Bi 0.10 0.02 Sb 0.15 0.02 Se 0.50 0.01 Zn 0.15 0.02 Te 0.10 0.02

Por lo tanto, cuando se desea detectar con buena precisin hasta partes por billn (ppb=10-3 ppm) de estos elementos es imprescindible la tcnica de generacin de hidruros. La tcnica de vapor en fro es idntica a la tcnica de GH, solo que en este caso se libera de la muestra el elemento en el estado metlico, no en forma de hidruro. Por esta tcnica el nico elemento posible de determinar es el mercurio, el cual es el nico metal conocido que es voltil en condiciones ordinarias. La desventaja de la tcnica de GH y de vapor en fro, es que se requiere de volmenes de muestra relativamente grandes.

DESCRIPCION DE LA TCNICA DE GENERACIN DE HIDRUROS: Algunos de los elementos de la tabla peridica de los grupos V y VI tienden a formar hidruros voltiles a temperatura ambiente en condiciones reductoras. La volatilidad de los hidruros formados permite que stos sean separados de la solucin o matriz donde se encuentran y pueden ser captados en forma concentrada en algn medio apropiado. Existen mtodos analticos en los cuales se produce el vapor de hidruro de arsnico y este es captado en una solucin en la cual se forma un compuesto colorido con el arsnico y de sta manera es cuantificado por espectroscopa visible o colorimetra. La separacin por volatilizacin del elemento que se desea cuantificar ofrece grandes ventajas, ya que adems de concentrar el elemento, los componentes de la matriz que pueden interferir se encuentran ausentes en la fase de vapor. Este mismo concepto se aplica en espectroscopa de absorcin atmica. Se genera el hidruro voltil y ste se hace llegar a una celda de cuarzo a alta temperatura donde el hidruro se descompone a un vapor de tomos el cual es registrado como una seal transiente y de gran intensidad, en forma similar a como ocurre la atomizacin en HG.

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El equipo para generacin de hidruros de que se dispone comercialmente opera en forma similar a como se describe en la Figura 4. En forma detallada la generacin del o los hidruros de la muestra se lleva a cabo de la manera siguiente: Se tiene un recipiente cnico en el fondo, donde se coloca la muestra a analizar. El fondo cnico tiene la finalidad de producir una agitacin mas intensa y homognea, y el volumen de muestra es de 10 a 50 ml. aunque es posible acomodar hasta 100 ml. Con la muestra se agrega cido clorhdrico 1 M para favorecer las condiciones reductoras y es posible agregar unas gotas de permanganato de potasio 1 M el cual le da un tinte rosa a la solucin de muestra y al ocurrir la reduccin completa la solucin se decolora por completo, lo cual garantiza la reduccin a los hidruros correspondientes.

Figura 4: Descripcin del sistema de generacin de hidruros y deteccin en una celda calentada por una flama.

El vaso cnico dispone de dos entradas y una salida. Una entrada es para inyectar una solucin de borohidruro de sodio que es el agente reductor, y la otra entrada es para inyectar continuamente un gas inerte, que generalmente es argn o nitrgeno y que tiene la doble finalidad de agitar y mezclar la solucin de muestra al mismo tiempo que es el gas de acarreo que conduce los hidruros generados hasta la celda de cuarzo donde ocurre la atomizacin. Por el conducto salida escapa el vapor de hidruros generado y es conducido hasta una celda de cuarzo la cual se encuentra a una temperatura no menor de 1200C donde el hidruro es descompuesto a hidrogeno y el elemento correspondiente en forma de una nube de tomos. El calentamiento de la celda de cuarzo puede ser por medio de corriente elctrica, pero generalmente la fuente de calor es la flama misma, sobre la cual est montada la celda de cuarzo. A travs de esta celda pasa el haz de radiacin de la lmpara y se tiene la seal cuando se presenta el vapor de tomos. Esta seal, al igual que en el horno de grafito es registrada como altura de pico o rea de pico. La rutina en el anlisis es aproximadamente como sigue: se coloca la muestra en el recipiente cnico con el cido. Inicialmente se inyecta gas de arrastre para homogeneizar y mezclar la solucin y despus de un cierto tiempo se inyecta la solucin de borohidruro de sodio la cual se hace llegar hasta la celda de cuarzo que est colocada sobre la flama encendida. La seal es captada a travs de un registrador o algn otro aditamento que tenga la capacidad de procesar la seal generada. Se efecta lo mismo en blanco estandars y muestras para obtener una curva de calibracin

FLAMA

CELDA DECUARZO

HAZ DERADIACION

HIDRURO PRODUCIDO

GAS DEARRASTRE

SOLUCION DEBOROHIDRURO

RECIPIENTEDE REACCION

ESPECTROSCOPIA DE ABSORCIN ATMICA EN HORNO DE GRAFITO Y GENERADOR DE HIDRUROS

Facultad De Ciencias Qumicas UACH MC Edmundo Rocha DR

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TCNICA DE GENERACION DE VAPOR EN FRIO: Cuando el elemento se puede reducir al estado elemental y formar una masa de vapor de tomos se puede cuantificar directamente el analito. De todos los elementos de la tabla peridica, el mercurio es el nico elemento que puede reducirse hasta mercurio metlico en forma directa y a temperatura ambiente. En este caso la tcnica tiene como nica variacin que la celda de cuarzo no debe estar a altas temperatura ya que no es necesario disociar el hidruro y por lo tanto a esta tcnica se le llama de vapor en fro. Debido a que la celda no est sometida a altas temperaturas, la volatilidad del vapor es menor en esta celda a temperatura ambiente, por lo que los tomos del elemento duran una mayor cantidad de tiempo en el eje ptico y la seal es de mucho mayor intensidad. Tal cualidad permite que el mercurio pueda ser detectado de esta manera hasta niveles de partes por trilln (ppt=10-3 ppb=10-6 ppm) LIMITACIONES DE LA TCNICA: La primer limitacin de esta tcnica es que est restringida a la cuantificacin de elementos que formen hidruros voltiles a temperatura ambiente o que se reduzcan al estado elemental en condiciones apropiadas. Tales elementos son: As, Bi, Cd, Zn, Sb, Te y Hg. De igual manera a como ocurre en HG, en GH momentneamente se forma una nube de tomos, por lo cual si se tiene instrumental que pueda captar seales y procesarlas con la rapidez apropiada se tendrn seales de alta intensidad. Debido a que el volumen de muestra requerido o admitido en GH es mucho mayor al requerido o admitido en HG la cantidad de tomos que potencialmente se pueden formar es mucho mayor en GH, por lo que sta tcnica tienen menores lmites de deteccin que los correspondientes a horno de grafito y por supuesto a la tcnica de flama. Tambin, a diferencia de lo que ocurre en HG, la tcnica de GH prcticamente no tiene interferencias por seal de fondo, ya que el analito se asla de la matriz por volatilizacin, sin embargo s se ha encontrado que ocurren interferencias cuando el estado de oxidacin del analito vara (en flama y HG el estado de oxidacin del analito es intrascendente), por ejemplo: el arsnico se puede presentar en los estados de oxidacin Sb(III) y Sb(V), y stos tienen diferente facilidad para reducirse y formar el hidruro correspondiente, por lo tanto, deber darse un pretratamiento a la muestra si este es el caso, provocando la oxidacin de todo el analito a un mismo estado de valencia. Tambin se ha observado una interferencia que se le ha llamado cintica y se debe a que cuando se efecta manualmente la inyeccin del borohidruro de sodio entre muestras y estandards, no se tiene la misma velocidad de produccin de hidruros y esto causa que la masa de vapor de tomos que momentneamente aparece en el eje ptico no necesariamente sea proporcional a la concentracin de analito en la muestra Para evitar o minimizar este ltimo error se puede emplear un medio mecnico controlado por un microprocesador o si se efecta manualmente tener la practica y la precaucin debida para inyectar y seguir toda la secuencia de la manera mas repetitiva posible.