ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΙΑ ΑΤΟΜΙΚΗΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ (ATOMIC ABSORPTION SPECTROMETRY, AAS)

Transcript

1 ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΙΑ ΑΤΟΜΙΚΗΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ (ATOMIC ABSORPTION SPECTROMETRY, AAS) ΑΘΗΝΑ, ΟΚΤΩΒΡΙΟΣ 2014

2 ΓΕΝΙΚΑ Η Φασματομετρία Ατομικής Απορρόφησης είναι μια μέθοδος ΑΤΟΜΙΚΗΣ φασματομετρίας. Προσδιορίζεται η συγκέντρωση στοιχείων σε διάλυμα ή η περιεκτικότητα τους σε ένα στερεό δείγμα. Το δείγμα εκτίθεται σε θερμική ενέργεια (εξαίρεση: Προσδιορισμός υδραργύρου με μέθοδο υδριδίων). Εξαερώνεται και ατομοποιείται. Ακολουθεί η μέτρηση της απορρόφησης μονοχρωματικής ακτινοβολίας από τα άτομα του στοιχείου. Επομένως: Η AAS βασίζεται στην απορρόφηση της ακτινοβολίας από άτομα που βρίσκονται στην ΘΕΜΕΛΙΩΔΗ κατάσταση.

3 ΤΥΠΟΙ ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΙΑΣ ΑΤΟΜΙΚΗΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ Η AAS χρησιμοποιείται σε τρεις παραλλαγές: AAS με φλόγα (Flame AAS) ΥΓΡΟ ΔΕΙΓΜΑ AAS με φούρνο γραφίτη (GFAAS, ETAAS) ΥΓΡΟ Ή ΣΤΕΡΕΟ ΔΕΙΓΜΑ AAS με σχηματισμό υδριδίων (HGAAS, ETAAS) ΥΓΡΟ ΔΕΙΓΜΑ

4 ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΤΗΣ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΑΣ ΣΤΑ ΦΑΣΜΑΤΑ Ο λόγος των ατόμων σε διεγερμένη κατάσταση, Nj, και αυτών σε θεμελιώδη κατάσταση ακολουθεί την κατανομή Boltzmann: όπου g j και g 0 στατιστικά βάρη, Ε j η ενέργεια διέγερσης και Τ η θερμοκρασία. Επομένως ο λόγος Ν j /N 0 : Αυξάνεται με αύξηση της θερμοκρασίας. Μειώνεται με ελάττωση του λ. Γενικά για στοιχεία με μεγάλο λόγο Nj/ N 0 (αλκάλια, αλκαλικές γαίες) προτιμάται η φλογοφωτομετρία (μέθοδος ατομικής εκπομπής).

5 ΔΙΕΡΓΑΣΙΕΣ ΠΟΥ ΛΑΜΒΑΝΟΥΝ ΧΩΡΑ ΣΤΗΝ AAS Εξάτμιση διαλύτη Σχηματισμός αερολύματος. Διάσταση μορίων σε άτομα (ατομοποίηση). Διέγερση: Στην AAS επιτυγχάνεται με εξωτερική πηγή (ακτινοβολία). Ιονισμός: Ανεπιθύμητο φαινόμενο. Οδηγεί σε ιοντικά φάσματα που διαφέρουν από τα ατομικά. Όπου Μe: Μεταλλοκατιόν και X: Ανιόν του μορίου.

6 ΠΟΣΟΣΤΑ ΙΟΝΙΣΜΟΥ ΑΛΚΑΛΙΩΝ ΚΑΙ ΑΛΚΑΛΙΚΩΝ ΓΑΙΩΝ ΣΕ ΔΙΑΦΟΡΕΣ ΦΛΟΓΕΣ (ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΕΣ) Μέταλλο Προπάνιο- Αέρας (2200 Κ) Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software Ακετυλένιο- Αέρας (2450 Κ) Li Na Κ Rb Cs Mg Ca Sr Ba Ακετυλένιο- Υποξείδιο του αζώτου (3200 Κ)

7 ΟΡΓΑΝΟΛΟΓΙΑ ΣΤΗΝ AAS Πηγή ακτινοβολίας: Γραμμικές και συνεχούς ακτινοβολίας. Φλόγα ή φούρνος. Επιλογέας μήκους κύματος. Ανιχνευτής. Καταγραφέας.

8 ΠΗΓΕΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ

9 ΠΗΓΕΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ Καθοδική Λυχνία ή Λυχνία κοίλης καθόδου (HCL) Μονοστοιχειακές Πολυστοιχειακές Λυχνία εκκενώσεως άνευ ηλεκτροδίων (EDL) Για στοιχεία που εξαχνώνονται γρήγορα, όπως Sb, As, Cd, Se, Te

10 ΜΟΝΟΧΡΩΜΑΤΟΡΑΣ ΚΛΙΜΑΚΩΤΟΥ ΦΡΑΓΜΑΤΟΣ ΠΕΡΙΘΛΑΣΗΣ i. Σχισμή εισόδου ii. Φακός κατεύθυνσης iii. Φράγμα περίθλασης iv. Φακός εστίασης v. Σχισμή εξόδου

11 ΑΝΙΧΝΕΥΤΗΣ: ΦΩΤΟΠΟΛΛΑΠΛΑΣΙΑΣΤΗΣ Αρχή: 1. Φωτοηλεκτρικό φαινόμενο (Einstein, 1905): Εκπομπή ηλεκτρονίων από την επιφάνεια μετάλλων όταν αυτά ακτινοβοληθούν με υπεριώδη ακτινοβολία. 2. Δευτερογενής εκπομπή ηλεκτρονίων όταν ηλεκτρόνια προσπέσουν σε ηλεκτρόδια. Πρόσπτωση ηλεκτρονίου στην κάθοδο: Παράγονται ηλεκτρόνια που συλλέγονται από την πρώτη δύνοδο εκδίωξη δευτερογενών ηλεκτρονίων καταρράκτης ηλεκτρονίων.

12 ΑΤΟΜΙΚΗ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗ ΜΕ ΦΛΟΓΑ (FAAS) Η επιλογή καυσίμου και οξειδωτικού για την παραγωγή φλόγας στον καυστήρα εξαρτάται από την απαιτούμενη θερμοκρασία για την ατομοποίηση του δείγματος. Οξειδωτική φλόγα: Το οξειδωτικό σε περίσσεια (το καύσιμο σε έλλειμμα). Αναγωγική φλόγα: Το καύσιμο σε περίσσεια (το οξειδωτικό σε έλλειμμα). Καύσιμο και οξειδωτικό σε στοιχειομετρία.

13 ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΕΣ ΦΛΟΓΑΣ Καύσιμο Οξειδωτικό Θερμοκρασίες ( o C) Φυσικό Αέριο Αέρας Φυσικό Αέριο Οξυγόνο Υδρογόνο Αέρας Υδρογόνο Οξυγόνο Ακετυλένιο Αέρας Ακετυλένιο Οξυγόνο Ακετυλένιο Υποξείδιο του αζώτου (Ν 2 Ο) Προπάνιο Αέρας 1900 Προπάνιο Οξυγόνο 2800

14 ΣΥΝΗΘΕΙΣ ΦΛΟΓΕΣ ΣΤΗΝ AAS Φλόγα ακετυλενίου- αέρα: Η ευρύτερα χρησιμοποιούμενη φλόγα. Δεν απορροφά πάνω από τα 230 nm. Μειονέκτημα: Σχηματίζονται δύστηκτα οξείδια για αρκετά στοιχεία (Mg, Ca, Sr, Ba, U, ). Φλόγα ακετυλενίου- υποξειδίου του αζώτου: Παρέχει υψηλότερη θερμοκρασία και αναγωγικό περιβάλλον Δεν σχηματίζονται οξείδια. Μειονεκτήματα: Ιονισμός πολλών στοιχείων, ισχυρή εκπομπή σε πολλές περιοχές: π.χ nm. Φλόγα υδρογόνου- αέρα: Κατάλληλη για αλκάλια, κασσίτερο, αρσενικό, σελήνιο. Μειονεκτήματα: Υψηλή ταχύτητα καύσης, κίνδυνος έκρηξης.

15 ΑΤΟΜΟΠΟΙΗΣΗ ΜΕ ΦΛΟΓΑ: ΚΑΥΣΤΗΡΑΣ ΠΡΟΑΝΑΜΕΙΞΗΣ ΟΜΑΛΗΣ ΡΟΗΣ Χρησιμοποιούνται όταν η μέθοδος ατομοποίησης είναι η φλόγα. Σύστημα ομοιόμορφης διασποράς του δείγματος στην φλόγα Εξασφαλίζει την εισαγωγή του δείγματος στην φλόγα με σταθερό και ομοιόμορφο τρόπο Πολύ καλή επαναληψιμότητα. Μικρά σταγονίδια (< 10 μm) εισέρχονται στην φλόγα. Μειονέκτημα: Μικρή ποσότητα του δείγματος φτάνει στην φλόγα μικρή ευαισθησία.

16 ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΙΑ ΑΤΟΜΙΚΗΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ ΜΕ ΗΛΕΚΤΡΟΘΕΡΜΑΙΝΟΜΕΝΟ ΦΟΥΡΝΟ ΓΡΑΦΙΤΗ (ETAAS ή GFAAS) Μέθοδος ατομοποίησης ΧΩΡΙΣ φλόγα. Το δείγμα ατομοποιείται σε φούρνο από γραφίτη, οι οποίοι θερμαίνονται με ηλεκτρικές αντιστάσεις έως τους 3000 o C. Ο γραφίτης περιβάλλεται από Ar για αποφυγή οξείδωσης και καύσης του γραφίτη. Αδρανές αέριο διέρχεται και εσωτερικά του σωλήνα (εκτός από το στάδιο της ατομοποίησης).

17 Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software ΠΡΟΓΡΑΜΜΑ ΘΕΡΜΟΚΡΑΣΙΩΝ ΦΟΥΡΝΟΥ ΓΡΑΦΙΤΗ Ξήρανση: Η θερμοκρασία εξαρτάται από τον όγκο του δείγματος και τον διαλύτη. Πυρόλυση: Εξαρτάται από την πτητικότητα του αναλύτη. Ατομοποίηση: Με απότομη άνοδο της θερμοκρασίας. Καθαρισμός φούρνου γραφίτη: Σε ακόμα υψηλότερη θερμοκρασία.

18 ΑΝΑΛΥΣΗ ΣΤΕΡΕΩΝ ΜΕ ETAAS (GFAAS) Εισαγωγή του στερεού ως έχει: Χρησιμοποιείται ποσότητα 1-2 mg. Δεν απαιτείται προκατεργασία και αποφεύγεται η τυχόν μόλυνση του δείγματος κατά το στάδιο αυτό. Μειονέκτημα: Η επαναληψιμότητα είναι χαμηλή. Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software Εισαγωγή του δείγματος ως αιώρημα: Απαιτείται ελάχιστη προκατεργασία για την μετατροπή του στερεού σε αιώρημα (μέθοδος υπερήχων, απευθείας εισαγωγή ποσότητας 2-20 mg του στερεού σε 1-3 ml κατάλληλου διαλύτη).

19 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ ETAAS (ή GFAAS) ΠΛΕΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Ελάχιστη ποσότητα δείγματος (μερικά mg ή μl). Δυνατότητα ανάλυσης στερεών δειγμάτων. Περίπου 1000 φορές χαμηλότερα όρια ανίχνευσης (έως επίπεδα ppt) σε σχέση με την AAS με φλόγα. ΜΕΙΟΝΕΚΤΗΜΑΤΑ Μόλυνση σωλήνα γραφίτη από το μητρικό υλικό του δείγματος (memory effect). Μέτρια επαναληψιμότητα. Σχετικά αργή αναλυτική τεχνική (χρόνος ανάλυσης ~ 3 min). Δεν χρησιμοποιείται για υλικά που σχηματίζουν καρβίδια (U, Zr, Ta, Re, κ.λ.π.).

20 ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΙΑ ΑΤΟΜΙΚΗΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ ΜΕ ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟ ΥΔΡΙΔΙΩΝ (HGAAS) Μέθοδος προσδιορισμού των As, Se, Sb, Te, Ge, Bi, Sn, Hg αλλά και των Zn Cd σε επίπεδα ppb. Μετατροπή στοιχείων σε υδρίδια με τετραϋδροβορικό νάτριο (NaBH 4 ). Στην περίπτωση του υδραργύρου αυτός μετατρέπεται στην μεταλλική μορφή με SnCl 2. Οι ενώσεις μεταφέρονται με το παραγόμενο H 2 και αδρανές Ν 2 σε κυψελίδα Θέρμανση στους 1000 o C (εκτός της περίπτωση προσδιορισμού Hg τεχνική ατομοποίησης ψυχρού ατμού) με αέρα- ασετυλίνη.

21 ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΙΑ ΑΤΟΜΙΚΗΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ ΜΕ ΣΧΗΜΑΤΙΣΜΟ ΥΔΡΙΔΙΩΝ (HGAAS) Παράδειγμα: Προσδιορισμός αρσενικού μέσω σχηματισμού αρσίνης: AsCl 3 + NaBH 4 + HCl AsH 3 + H B 2 H NaCl

22 ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΤΙΚΑ HGAAS Χαμηλά όρια ανίχνευσης (επίπεδα ppb ή και χαμηλότερα). Διαχωρισμός στοιχείου από το μητρικό υλικό. Επίδραση αριθμού οξείδωσης στοιχείου στην αντίδραση σχηματισμού υδριδίου. Επίδραση άλλων συστατικών του δείγματος στην αντίδραση σχηματισμού υδριδίου.

23 ΑΠΟΦΥΓΗ ΠΑΡΕΜΒΟΛΗΣ ΥΠΟΣΤΡΩΜΑΤΟΣ ΦΛΟΓΑΣ Χρήση τεμαχιστή ακτινοβολίας μετά την πηγή ακτινοβολίας και πριν την φλόγα. Ο τεμαχιστής διακόπτει την ακτινοβολία της πηγής με σταθερή συχνότητα Ο ενισχυτής του ανιχνευτή της AAS είναι εναλλασσόμενου ρεύματος, λειτουργεί με την ίδια συχνότητα με τον τεμαχιστή και επομένως ενισχύεται μόνο το σήμα που προέρχεται από την πηγή ακτινοβολίας και όχι η συνεχής ακτινοβολία της φλόγας.

24 Φασματικές παρεμβολές: Οφείλεται σε επικαλυπτόμενες φασματικές γραμμές. Δεν είναι συχνή στην AAS. Παραδείγματα: Τα ζεύγη Fe ( nm)-pt ( nm) και Si ( nm)- V ( nm). Οι παρεμβολές αυτές αντιμετωπίζονται επιλέγοντας άλλη φασματική γραμμή του στοιχείου που προσδιορίζεται. ΠΑΡΕΜΒΟΛΕΣ ΣΤΗΝ AAS (Ι) Απορρόφηση υποστρώματος (βασική απορρόφηση): Οφείλεται σε μοριακή απορρόφηση. Παρατηρούνται κυρίως σε πυκνά διαλύματα και σε μήκη κύματος κάτω των 350 nm. Διόρθωση με α) Χρήση πηγής συνεχούς φάσματος, β) Εφαρμογή φαινομένου Zeeman. Παρεμβολές μητρών: Λόγω διαφοράς φυσικών χαρακτηριστικών (π.χ. Ιξώδες, επιφανειακή τάση) μεταξύ δειγμάτων και πρότυπων διαλυμάτων. Auto-απορρόφηση: Απορρόφηση από άτομα που βρίσκονται στο εξωτερικό της φλόγας μέρος της ακτινοβολίας

25 ΠΑΡΕΜΒΟΛΕΣ ΣΤΗΝ AAS (ΙΙ) Auto-απορρόφηση: Απορρόφηση από άτομα που βρίσκονται στο εξωτερικό της φλόγας μέρος της ακτινοβολίας που εκπέμπεται από το εσωτερικό της φλόγας Μείωση έντασης εκπομπής φλόγας Κύρτωση της καμπύλης αναφοράς σε υψηλότερες συγκεντρώσεις. Χημικές παρεμβολές: Σχηματισμός ένωσης με ανιόν που δύσκολα ατομοποιείται. Π.χ. Προσδιορισμός Ca 2+ παρουσία PO 4 3- σχηματισμός φωσφορικού ασβεστίου. Αντιμετώπιση: α) Συμπλοκοποίηση κατιόντος πριν τον προσδιορισμό του, β) Προσθήκη La 3+, γ) Απομάκρυνση μήτρας με διαχωρισμό (π.χ. Εκχύλιση). Μεταβολές της θερμοκρασίας φλόγας. Παρεμβολές ιονισμού: Ιονισμός του υπό ανάλυση στοιχείου. Αντιμετώπιση: Προσθήκη περίσσειας στοιχείων που ιονίζεται πιο εύκολα, π.χ. Καλίου Παρέχει ηλεκτρόνια και μετατοπίζει την ισορροπία ιονισμού του υπό ανάλυση μετάλλου στην ατομική μορφή.

26 Διαφορετικές φυσικές ιδιότητες (π.χ. πυκνότητα, ιξώδες) προτύπων διαλυμάτων και δείγματος. Προσοχή: Χρήση οργανικού διαλύτη (π.χ. κετόνες) συνήθως αυξάνει την ευαισθησία ανίχνευσης των στοιχείων σε συντελεστές 3-5. Αλλαγές ταχύτητας εκνέφωσης διαλύματος και μεγέθους σωματιδίων του αερολύματος (τεχνική φλόγας). Generated by Foxit PDF Creator Foxit Software ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΗ ΦΥΣΙΚΩΝ ΠΑΡΕΜΒΟΛΩΝ ΣΤΗΝ AAS (ΙΙΙ) Διαφορά στην τοποθέτηση του δείγματος στον φούρνο γραφίτη. Προσαρμογή προτύπων διαλυμάτων στην μήτρα του δείγματος ή Μέθοδος σταθερών προσθηκών (standard addition).

27 ΔΙΟΡΘΩΣΗ ΥΠΟΣΤΡΩΜΑΤΟΣ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΠΗΓΗΣ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΦΑΣΜΑΤΟΣ Η λυχνία HCL παράγει γραμμικό φάσμα Η λυχνία δευτερίου παράγει συνεχές φάσμα Επιλογή μιας στενής περιοχής μηκών κύματος και εξίσωση της έντασης των δυο πηγών Μόνο ατομική απορρόφηση (δεν συμβαίνει στην πράξη) Μόνο μοριακή απορρόφηση (δεν συμβαίνει στην πράξη). Ομοιόμορφη μείωση. Άθροισμα ατομικής και μοριακής απορρόφησης

28 ΔΙΟΡΘΩΣΗ ΥΠΟΣΤΡΩΜΑΤΟΣ ΣΗΜΑΤΟΣ ΜΕ ΕΦΑΡΜΟΓΗ ΦΑΙΝΟΜΕΝΟΥ ZEEMAN Σχάση ηλεκτρονιακών ενεργειακών επιπέδων με έκθεση σε μαγνητικό πεδίο. Μια ατομική φασματική γραμμή διαχωρίζεται σε τρεις κυρίως συνιστώσες. Η μια συνιστώσα βρίσκεται στο αρχικό μήκος κύματος της φασματικής γραμμής και οι δυο άλλες αριστερά και δεξιά της αρχικής φασματικής γραμμής (κάθετες ως προς το μαγνητικό πεδίο). Το φαινόμενο παρατηρείται μόνο στα άτομα και όχι στα μόρια ή στα στερεά σωματίδια. Αρχικά: Μέτρηση αθροίσματος ατομικής απορρόφησης στοιχείου + απορρόφηση υποστρώματος. Εφαρμογή μαγνητικού πεδίου: Μετατόπιση συνιστωσών. Δέσμευση αρχικής συνιστώσας από πολωτή Μέτρηση απορρόφησης υποστρώματος.

29 ΠΡΟΕΤΟΙΜΑΣΙΑ ΔΕΙΓΜΑΤΟΣ ΓΙΑ ΑΝΑΛΥΣΗ ΜΕ AAS H GFAAS δεν απαιτεί χημική κατεργασία δείγματος. Στις FAAS και HGAAS απαιτείται η διαλυτοποίηση στερεών δειγμάτων: Μπορούν να χρησιμοποιηθούν οξέα όπως HCl, HNO 3, H 2 SO 4 Προσοχή: Απαιτείται υψηλή καθαρότητα τους για να μην επιμολύνουν το δείγμα. Μπορούν να χρησιμοποιηθούν οργανικοί διαλύτες (χρήσιμοι για διαχωρισμούς με εκχύλιση): Προτιμούνται κετόνες (όπως μεθυλοϊσοβούτυλοκετόνη) και εστέρες επειδή δίνουν ομαλότερες συνθήκες καύσης από ότι άλλοι οργανικοί διαλύτες (π.χ. χλωριωμένοι υδρογονάνθρακες). Αξιολόγηση αποτελεσμάτων με 1) Καμπύλη Αναφοράς, 2) Μέθοδο προσθήκης.

30 ΠΑΡΑΔΕΙΓΜΑΤΑ ΕΦΑΡΜΟΓΩΝ AAS Ιχνοστοιχεία σε πρώτες ύλες και τελικά προϊόντα (π.χ. As, Pb, Cd σε μεταλλεύματα, πλαστικά, παιδικά παιχνίδια, κ.λ.π.). Περιβαλλοντική έρευνα (π.χ. βαρέα μέταλλα σε εδάφη, νερά, θαλάσσια ιζήματα). Γεωργική έρευνα (ιχνοστοιχεία σε εδάφη). Έλεγχος Ποιότητας Τροφίμων (π.χ. Βαρέα μέταλλα σε τρόφιμα). Έλεγχος Ποιότητας Φαρμάκων (π.χ. Έλεγχος προσμίξεων βαρέων μετάλλων σε φυσιολογικό ορό, ιχνοστοιχείων σε συμπληρώματα διατροφής). Ιατρική Έρευνα (π.χ. Τοξικοκινητική δηλητηρίασης από Pb, προσδιορισμός Ca, Mg, Mn, Zn, Cu, Fe στο εγκεφαλονωτιαίο υγρό συσχέτιση με νευροπάθειες- Gonzalez- Romaris et al., 2011).