AAS (Atomska Apsorpciona Spektrofotometrija)

1. Instrumentalna analiza , Profesor Hemije AAS (Atomska Apsorpciona Spektrofotometrija) Dr D. Manojlović, Hemijski fakultet Beograd

2. ATOMSKA APSORPCIONA SPEKTROFOTOMETRIJA Atomska apsorpciona spektrofotometrija (AAS) je apsorpciona metoda koja meri smanjenjeintenziteta 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

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

4. 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 intenzivnomomohromatsko zračenje

5. Primena kontinualnog zračenja nije pogodna: -Optička širina apsorpcione linije jemala (poluširina na prelazi 0,005 nm), što je 10 puta manje od najmanje propusne širinemonohromatora) a kontinualni izvori u tako uskoj spektralnoj oblasti mogu da daju ograničenu energiju -Kontinualno zračenje zahteva vrlo selektivne monohromatore za izdvajanje potrebne talasne dužine

6. 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

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

8. Osimizvoraprimarnog 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

9. Pored lampi sa šupljom katodom koriste se i drugi izvori kao što su lučne lampe i lampe sa bezelektrodnim pražnjenjemkoje 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

10. Plameni atomizer

11. Mada je plamen najpogodniji i najreproduktivniji za atomizaciju on je najmanjeefikasan 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

12. 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 prevučenogpirolitičkim grafitom koji se zagreva pomoćuelektrične struje

13. Atomizeri kod ETAAS

14. Atomizer

15. 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 oCčime 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)

16. 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

17. Optička shema AAS

18. 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-strukogpovećanja osetljvosti određivanja postiže se i izdvajanje elemenata iz složenog matriksa

19. 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)

20. 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

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

22. 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

23. 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

24. Kvantitativna analiza AAS jeprvenstveno 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

25. gde je : Io-početni intenzitet zračenja Ip-intenzitet zračenja nakon prolaska kroz atomsku paruNo-broj atoma u osnovnom nepobuđenom stanju b-dužina puta zračenja k-koeficijent apsorpcije Kada su eksperimentalni uslovi konstantni broj atoma Noproporcionalan je koncentracijiC, elementa u uzorku.

26. 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 zračenjeIe koje uglavnom ima istu talasnu dužinu kao i apsorbovano zračenje pa se povećava Ipza deoIekoji dopre do monohromatora Zračenje koje potiče od radikala i molekula u plazmi takođe može da poveća emisiju

27. -Rasipanje svetlosti na česticama, Ir -Apsorpcija u plazmi ili apsorpcija izazvana osnovom uzorka, Ib Zbog toga se jednačina za Lambert-Beerov zakon mora modifikovati:

28. Doprinos Ieje srazmerno mali, zbog dela zračenja koji dolazi do monohromatora, a pored toga i brojpobuđenih 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

29. 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 jačešto je talasna dužina manja Potreba za korekcijom pozdinskog signala mnogo je veća kod elektrotermalne atomizacije nego kod plamene

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

31. 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

32. 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

33. Tehnike za korekciju pozdinskog zračenja: -metoda dve linije -metoda sa kontinualnim izvorom zračenja -metoda sa Zemanovom kivetom -Smith Hieftije-ova korekcija

34. Prve dve metode se koriste uglavnom u plamenojAAS 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 talasnojdužinikoja se malo razlikuje od prve i na kojoj apsorbuje samo pozadina

35. 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 vremenimašto može dovedti do grške jer se koncentraciona raspodela čestica vremenski menja

36. 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 lampesa šupljom katodom

37. 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

38. Treća metoda korekcijekoristi 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

39. Cepanje linije Mg (285,2 nm) 1P11S0u magnetnom polju

40. Cepanjem ove linije u magnetnom polju dobijaju se tri linije, jedna πi 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 komponentenormano na pravac magnetnog polja. Pozadinsko zračenje i rasuto svetlo nisu polarizovani

41. 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 normalnona pravac polja, ono će biti oslabljeno samo zbog apsorpcije pozadine jer su σkomponente oslabljene i ne slabe snop

42. 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

43. 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.

44. 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

45. Visoka struja proizvodi više atoma, dovodi do širenja emisione linije i javlja sesamoapsorpcija Intenzitet zračenja HLC lampe A-normalne struje, B-visoke struje

46. Samoapsorpcija dovodi do minimuma u centru linije koja odgovara talsnoj dužini na kojoj se javlja samoapsorpcija Instrument prvo meriI 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

47. 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 pomoćustandardnih uzoraka kao i kod drugih metoda spektralne analize

48. Pored toga neophodnoje, 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