Atomska absorpcijska spektrometrija

Iz Wikipedije, proste enciklopedije
Jump to navigation Jump to search

Atomska absorpcijska spektrometrija (AAS) je spektroskopska metoda, rabljena za kvalitativno in kvantitativno analizo elementov v analizni kemiji.[1] Tehnika temelji na merjenju intenzitete svetlobe, ki jo prepuščajo atomi elementov v plinastem stanju. Ti absorbirajo svetlobo valovne dolžine, ki ustreza prehodu elektronov iz osnovnega na vzbujeno stanje. Vsak element ima značilen črtasti spekter, ki se razlikuje od drugih. Delež absorbirane svetlobe pri meritvi je sorazmeren koncentraciji absorbirajočega elementa. Zveza med koncentracijo in absorbirano svetlobo pa se imenuje Beer-Lambertov zakon ali z drugimi besedami absorpcijski zakon.[2]

Zgodovina[uredi | uredi kodo]

Leta 1955 so prvič predstavili tehniko AAS avstralski fizik Sir Alan Walsh, ter C. T. J. Alkemade in J. M. W. Milatz iz Nizozemske. V letu 1959 je bil za komercialne namene predstavljen prvi spektrometer, sledila pa je eksplozivna rast rabe te tehnike v svetu analizne kemije.[3]

Uporaba[uredi | uredi kodo]

Ta tehnika se v analizni kemiji uporablja za določitev koncentracij večine kovinskih elementov v nizkih koncentracijah, tipično pod mg/L.[2] V kliničnih laboratorijih tako določajo koncentracijo svinca, bakra in cinka v krvi.[4]

Aparatura[uredi | uredi kodo]

Diagram aparature FAAS

Absorpcijski atomski spektrometer je sestavljen iz vira svetlobe, vrtljive zaslonke, razprševalnika, atomizerja, monokromatorja, detektorja in zapisa (računalnik).

Razprševalnik[uredi | uredi kodo]

Pogoj za izvedbo tehnike AAS, je atomarna oblika elementov v plinastem stanju. Do te oblike lahko pridemo z razprševanjem tekočega vzorca v plamen (FAAS). Ta tehnika je najbolj uveljavljena.[2] Največkrat se v ta namen uporablja posredni pnevmatski razprševalnik predstavljen na sliki. Vzorec je posrkan preko plastične kapilare v koncentrično kapilaro razprševalnika, katera je obdana z oksidantom(zrakom). Vzorec se nato pretvori v aerosolno obliko s pomočjo plina z visoko hitrostjo. Pred koncentrično kapilaro je postavljena še manjša ovira, katera poskrbi, da se večje kapljice nadalje razpršijo na manjše.[5]

Atomizer[uredi | uredi kodo]

Atomizer je sestavni del spektrofotometra, ki vzorec pretvori v atomarno obliko. Poleg plamenskega atomizerja, se lahko poslužimo tudi ICP (induktivno sklopljene plazme) ali elektrotermične atomizacije v grafitni celici.[2]

Plamenski atomizer[uredi | uredi kodo]

Plamenski absorpcijski spektrometer

AAS tehnika pri kateri se uporablja plamenski atomizer, se imenuje plamenska atomska absorpcijska spektrometrija (FAAS). Razprševalnik razprši aerosolno obliko v plamen, katerega temperatura običajno sega od 2200⁰C do 3300⁰C. Dejanska temperatura je odvisna od plinske mešanice goriva in oksidanta. Nekaj tipičnih mešanic je predstavljenih v tabeli.[5]

Plinske mešanice in temperatura plamena
Plinska mešanica Temperatura [⁰C]
ogljikovodiki(metan,propan-butan) - zrak 1900
acetilen - zrak 2300
vodik - zrak 2700
acetilen – didušikov oksid 3000
dician - kisik 4500
ogljikov – subnitrid - ozon 5300

Najpogosteje uporabljeni plinski mešanici sta etin/zrak (2100-2400⁰C) in pri elementih z visokim vreliščem etin/N20 (2600-2800⁰C).[2] Ko je vzorec razpršen v plamen, najprej izpari topilo, pri tem se pojavijo aerosolni delci v kristalinični obliki, ki se nato stalijo. Ob visokih temperaturah pride do disociacije molekul in nastanka atomov v osnovnem stanju.[5]

Induktivno sklopljena plazma[uredi | uredi kodo]

ICP atomizer

Plazma ima intenzivno belo, netransparentno jedro, katerega temperatura se giblje med 6000K in 8000K.[3][6] Izvor induktivno sklopljene plazme (ICP) sestavljajo 4 koncentrične kvarčne cevi, skozi katere tangencialno teče tok argona. Ta se uporablja kot izolator, nosilec vzorca in za generiranje plazme. Skozi osrednjo cev z argonom vstopa aerosol vzorca v plamen. Na vrhu zunanje cevi je ovita indukcijska tuljava, ki proizvaja fluktujoče magnetno polje. Ioni in elektroni znotraj tuljave krožijo po zaključeni poti, vendar se temu upirajo. Posledica tega je gretje. Ker temperatura v samem jedru plazme sega do 10000K, je potrebno hlajenje, pri čemer se poslužimo tangencialnih tokov argona. Prednost ICP je inertna atmosfera, ki preprečuje tvorbo oksidov. Poleg tega s to metodo atomizacije dosežemo 2 do 3x višjo temperaturo kot pri FAAS. Posledično je stopnja atomizacije vzorca veliko višja, manjši pa je vpliv kemijskih interferenc.[6]

Elektrotermična atomizacija v grafitni celici[uredi | uredi kodo]

ICP: A – tangencialni tok argona za hlajenje in toplotno izolacijo, B – kvarčne cevi, C – osrednja cev z argonom, D – indukcijska tuljava, E – vektorji silnic magnetnega polja, F – plazemski plamen

Pri elektrotermični atomizaciji v grafitni celici(GFAA), je vzorec postavljen v grafitno celico, ki se segreje na 3000⁰C. Tako kot pri FAAS, tudi pri tej metodi atomizacije vzorec preide v trdno stanje in se nato disociira na atome. Prednost rabe grafitne celice je poleg višje meje detekcije, možnost analize vzorcev v trdni obliki, tekočini ali gostejši tekočini. GFAA je sposobna analizirati zelo majhne količine vzorcev in nuditi reduktivno atmosfero, za elemente, ki se sicer zelo hitro oksidirajo.[1]

Vir svetlobe[uredi | uredi kodo]

Žarnica z votlo katodo[uredi | uredi kodo]

Žarnica z votlo katodo je najpogosteje uporabljen vir svetlobe pri atomski absorpcijski spektrometriji. Sestoji iz vira napetosti, volframove anode in votle katode napolnjene s plinom argonom ali neonom, pri pritisku 1-5 torr. Katoda je prevlečena z elementom, ki ga določamo. Razlika v potencialih anode in katode povzroči ionizacijo plina v katodi. Kationi ioniziranega plina trčijo v katodo in iz nje izločijo kovinske ione, ki tvorijo atomski oblak. Ti pri prehodu iz vzbujenega v osnovno stanje emitirajo svetlobo specifičnih valovnih dolžin s katero svetimo v atomizirano obliko vzorca.[7]

Visokofrekvenčna žarnica brez elektrod (EDL)[uredi | uredi kodo]

Visokofrekvenčne žarnice brez elektrod proizvajajo energijo višje intenzitete od žarnic z votlo katodo. Tako kot pri slednjih so tudi EDL napolnjene z inertnim plinom pri nizkih tlakih. Gre za kvarčne cevke z žarnico prevlečeno z majhno količino preiskovanega elementa. Radio-frekvenčna tuljava povzroča ionizacijo plina in vzbujanje atomov na žarnici. EDL so povečini manj zanesljive od žarnic z votlo katodo. Izjema so EDL žarnice za Se, Cd, Sb in As.[7]

Chopper ali vrtljiva zaslonka[uredi | uredi kodo]

Vrtljive zaslonke

Vrtljiva zaslonka ali ''chopper'' je vrteč kovinski se disk z izrezanimi površinami, ki med vrtenjem enkrat prepušča svetlobo skozi plamen, drugič pa na detektor pada le svetloba, ki jo emitira plamen. Na ta način se znebimo ozadja, ki ga daje plamen. Chopper je postavljen med virom svetlobe in plamenom.[2]

Monokromator[uredi | uredi kodo]

Kljub temu da pri atomski absorpcijski spektrometriji uporabljamo vire svetlobe, ki imitirajo črtasti spekter, niso vse spektralne črte enako intenzivne in primerne za analizo. Poleg tega lahko pride do motenj zaradi prisotnosti drugih elementov v plamenu. Zaradi tega uporabimo monokromator. Ta je postavljen za plamenom, njegova funkcija pa je izolacija svetlobe z valovno dolžino z največjo intenziteto, pri kateri je največja možnost za elektronski prehod atoma v osnovnem stanju. Monokromator je hermetična posoda z vhodno in izhodno režo širine med 0,2nm in 2nm. Pogosto uporabljeni so Echelle monokromatorji, ki v notranjosti vsebujejo uklonsko mrežico in prizmo kot disperzni element, ki svetlobo pretvori v dve dimenziji.[1]

Detektor svetlobe[uredi | uredi kodo]

Detektor je postavljen tik za izhodno režo monokromatorja in pretvori svetlobno energijo v električni signal, ki se ojača in izmeri. Običajno se za detektor uporabljajo fotopomnoževalke, vendar so v novejših aparaturah uporabljeni tudi CCD detektorji.[1]

CCD

Zapis[uredi | uredi kodo]

Električni signal, ki ga izmerimo, je predstavljen v analogni obliki. Ta se v računalniku pretvori v človeku prijazno obliko. Dandanes je programska oprema tako razvita, da računalnik iz meritev sam naredi umeritveno krivuljo in izračuna koncentracijo analitov. Prav tako preko računalnika upravljamo s kotom katode in plinsko sestavo pri FAAS.[1]

Motnje[uredi | uredi kodo]

Občutljivost meritve zmanjšuje prisotnost oksidov, ki nastanejo pri atomizaciji. Izognemo se jim lahko z uporabo plamena višje temperature. Atomizacijo zmanjšuje še prisotnost fosfatnih(V) in sulfatnih(Vi) ionov. Zaradi tega vzorec pripravimo v HCl.[2]

Reference[uredi | uredi kodo]

  1. 1,0 1,1 1,2 1,3 1,4 Farrukh, Muhammad Akhyar (2012-01-20). Atomic Absorption Spectroscopy (angleščina). BoD – Books on Demand. ISBN 978-953-307-817-5.
  2. 2,0 2,1 2,2 2,3 2,4 2,5 2,6 Prosen H., Kralj Cigić I., Strlič M. (2018). Praktikum iz analizne kemije. ISBN 978-961-6756-55-6.CS1 vzdrževanje: Večkratna imena: authors list (link)
  3. 3,0 3,1 Skoog D.A., West D. M., Holler F. J., Crouch S. R. (2014). Fundamentals of analytical chemistry, 9e.CS1 vzdrževanje: Večkratna imena: authors list (link)
  4. Lajunen, L. H. J. (ur.). Spectrochemical Analysis by Atomic Absorption and Emission. Cambridge: Royal Society of Chemistry. str. 16–77. ISBN 978-0-85404-624-9.
  5. 5,0 5,1 5,2 "Flame atomic absorbtion spectroscopy (FAAS)" (PDF). Pridobljeno dne 21.11.2020.
  6. 6,0 6,1 Rajh E., Lobnik A. (junij,2011). "Uporaba atomske spektroskopije v farmacevtski industriji" (PDF). Pridobljeno dne 21.11.2020. line feed znak v |title= na poziciji 31 (pomoč); Preveri vrednosti datuma v: |date= (pomoč)
  7. 7,0 7,1 "Radiation Sources – Atomic Absorption Spectroscopy Learning Module" (angleščina). Pridobljeno dne 2020-11-21.