Κεφ. 11Β ΑΤΟΜΙΚΗ ΦΑΣΜΑΤΟΦΩΤΟΜΕΤΡΙΑ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΕΩΣ

Transcript

1 Κεφ. 11Β ΑΤΟΜΙΚΗ ΦΑΣΜΑΤΟΦΩΤΟΜΕΤΡΙΑ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΕΩΣ

2 Φασματοφωτομετρία Ατομικής Απορρόφησης (ΦΑΑ) Walsh (Αυστραλία) 1955 Μέτρηση απορρόφησης μονοχρωματικής ακτινοβολίας από ελεύθερα ουδέτερα άτομα ενός στοιχείου, που βρίσκονται στη θεμελιώδη κατάσταση

3

4 Χαρακτηριστικά ΦΑΑ (1) Ατομοποίηση με φλόγα (συνήθως) [ΦΦΑΑ] Διέγερση των ατόμων με μονοχρωματική ακτινοβολία που παράγεται από εξωτερική πηγή Ενδιαφέρει οαριθμός ατόμων (Ν ο ) στη θεμελιώδη κατάσταση Ε ο Θερμοκρασία φλόγας χαμηλή ώστε να έχουμε μόνο N o (φλόγα ακετυλενίου αέρα)

5 Χαρακτηριστικά ΦΑΑ (2) Ισχύει ονόμος Beer A = log (P o /P) = 0,434 Κ v b= K bn o =K C K v = συντελεστής ατομικής απορρόφησης (ανάλογος αριθμού ατόμων που απορροφούν ακτινοβολίασυχνότητας v και ανάλογος της C) b = μήκος διαδρομής μέσα στη φλόγα N o = αριθμός ατόμων / cm 3 C = συγκέντρωση στοιχείου στο διάλυμα που ψεκάζεται Χρήση εξισώσεως με τη βοήθεια καμπύλης αναφοράς

6 Χαρακτηριστικά ΦΑΑ (3) Σπάνιες φασματικές παρεμποδίσεις, λόγω μικρού εύρους σχισμής μονοχρωμάτορα (0,001 0,005 nm) Προκαλείται σκέδαση ακτινοβολίας από στερεά σωματίδια στη φλόγα.

7 Χαρακτηριστικά ΦΑΑ (4) Ηφασματική γραμμή μέγιστης απορρόφησης δεν είναι απαραίτητα και ηγραμμή μέγιστης εκπομπής του στοιχείου Ηένταση ενός σήματος απορροφήσεως ήεκπομπής εξαρτάται από: Αριθμό απορροφούντων (Ν ο ) ή εκπεμπόντων (Ν u ) Ισχύ ταλαντωτού (πιθανότητα ένα άτομο να υποστεί μια ηλεκτρονική μετάπτωση στη μονάδα του χρόνου και να απορροφήσει ήνα εκπέμψει ένα φωτόνιο. Όταν ηγραμμή μέγιστης απορρόφησης δεν συμπίπτει με γραμμή μέγιστης εκπομπής, η πρώτη έχει μήκος κύματος μικρότερο από τη δεύτερη Ο Fe λ απορ = 248,3 nm και λ εκπ = 372,0 nm To Ca λ απορ = λ εκπ = 422,7 nm

8 Οργανολογία ΦΑΑ Φασματοφωτόμετρο ΦΑΑ έχει ίδιες μονάδες με φλογοφωτόμετρο εκπομπής με προσθήκη εξωτερικής πηγής μονοχρωματικής ακτινοβολίας Χρησιμοποιούνται φασματοφωτόμετρα απλής και διπλής δέσμης

9 Φασματοφωτομετρία Ατομικής Απορρόφησης (AAS) Απλής Δέσμης Λυχνία Καυστήρας Μονοχρωμάτορας Σχισμή Ανιχνευτής Μετρητής

10 Αρχή ΦΑΑ

11 Σχηματικό Διάγραμμα (φλογο)φασματοφωτομέτρου ατομικής απορρόφησης διπλής δέσμης

12 Τεμαχιστής Δέσμης Ακτινοβολίας Εξασφαλίζει την εκ περιτροπής διέλευση της ακτινοβολίας μέσα από τη φλόγα (κυψελίδα δείγματος) και μέσα από τον αέρα (κυψελίδα αναφοράς) Επιτρέπει τη διάκριση του εναλασσόμενου σήματος από τη λυχνία και του συνεχούς σήματος από την ακτινοβολία υποβάθρου της φλόγας. Χρησιμοποιείται και στα όργανα απλής δέσμης για να υπερνικήσει τις δυσκολίες της ακτινοβολίας υποβάθρου και της «αρνητικής απορρόφησης» όταν το στοιχείο εκπέμπει και απορροφά μέγιστα στο ίδιο μήκος κύματος

13 Τεμαχιστής Ακτινοβολίας (Chopper)

14 Δημιουργία Δέσμης Αναφοράς με Χρήση Τεμαχιστή

15 Πλεονεκτήματα Φασματοφωτομέτρων Διπλής Δέσμης Διόρθωση διακυμάνσεων έντασης της πηγής ακτινοβολίας, ολίσθησης και μεταβολών της ευαισθησίας του ανιχνευτή με την πάροδο του χρόνου Δεν διορθώνουν την αστάθεια της φλόγας (η μια δέσμη δεν διέρχεται μέσα από αυτή) Μείωση χρόνου αναμονής σταθεροποίησης της λυχνίας Ενσωμάτωση διορθωτή σήματος υποβάθρου

16 Φασματοφωτόμετρα ΦΑΑ Υψηλότερο κόστος φασματοφωτομέτρων διπλής δέσμης και περισσότερο πολύπλοκα Για την πλειονότητα των αναλύσεων ένα φασματοφωτόμετρο απλής δέσμης είναι επαρκώς κατάλληλο Μπορούν να χρησιμοποιηθούν και ως φασματοφωτόμετρα εκπομπής εάν απομονωθεί ηεξωτερική λυχνία

17

18 Πηγή Ακτινοβολίας Πρέπει να εκπέμπει σταθερή ακτινοβολία, χαρακτηριστικού μήκους κύματος για το προσδιοριζόμενο στοιχείο με οξείες κορυφές. Απαιτείται διαφορετική λυχνία για κάθε στοιχείο (ή για μικρό αριθμό στοιχείων) Αύξηση κόστους Χρησιμοποιούνται πηγές γραμμικής ακτινοβολίας και όχι συνεχούς

19 Γιατί πηγή γραμμικής ακτινοβολίας και όχι συνεχούς με χρήση μονοχρωμάτορα (1) Ατομική γραμμή απορρόφησης πολύ στενή, τάξεως 0,001 nm. Στενότερη περιοχή φάσματος που μπορεί να απομονώσει ομονοχρωμάτορας τάξεως 0,1 nm Αν χρησιμοποιηθεί πηγή συνεχούς ακτινοβολίας, η διαφορά P o Pείναι πολύ μικρή Πολύ μικρή ευαισθησία και ακρίβεια

20 Γιατί πηγή γραμμικής ακτινοβολίας και όχι συνεχούς με χρήση μονοχρωμάτορα (2) Εάν χρησιμοποιηθεί πηγή γραμμικής ακτινοβολίας, οι φασματικές γραμμές εκπεμπόμενης ακτινοβολίας πολύ στενές (0,001 nm) Η P o μειώνεται αισθητά με την απορρόφηση και προκύπτει μεγάλη ευαισθησία Μέγιστη ευαισθησία όταν ηγραμμή απορρόφησης των ατόμων και ηγραμμή εκπομπής της λυχνίας βρίσκονται στο ίδιο μήκος κύματος

21 Σύγκριση Εύρους Ταινίας Μονοχρωμάτορα και Εύρους Φασματικής Γραμμής ΔΕΝ ΜΠΟΡΕΙ ΝΑ ΧΡΗΣΙΜΟΠΟΙΗΘΕΙ ΠΗΓΗ ΣΥΝΕΧΟΥΣ ΦΑΣΜΑΤΟΣ ΚΑΙ ΑΠΟΜΟΝΩΣΗ ΤΑΙΝΙΑΣ ΜΕ ΜΟΝΟΧΡΩΜΑΤΟΡΑ

22 Πηγές Μονοχρωματικής Ακτινοβολίας στη ΦΑΑ Λυχνία Κοίλης Καθόδου (ΛΚΚ) (hollow cathode lamp) Συνηθέστερη Λυχνία Εκκενώσεως Άνευ Ηλεκτροδίων ΛΕΑΗ) (electrodeless discharge lamp)

23 Λυχνία Κοίλης Καθόδου (1) Υάλινος σωλήνας με φέρον αέριο (ευγενές αέριο Ar ή Xe) σε χαμηλή πίεση (1-5 torr) Κοίλη κάθοδος υπό μορφή κυπέλλου κατασκευασμένη από το προσδιοριζόμενο στοιχείο Στο εμπόριο κυκλοφορούν ΛΚΚ για 68 στοιχεία Με εφαρμογή τάσεως 300 V μεταξύ ανόδου καθόδου: Ιονισμός ευγενούς αερίου Τα θετικά ιόντα του προσπίπτουν στην κάθοδο Προκαλούν εξαέρωση και ατομοποίηση μέρους αυτής Τα άτομα του στοιχείου στην κοίλη κάθοδο διεγείρονται από την εκκένωση και εμπέμπουν την επιθυμητή χαρακτηριστική ακτινοβολία του προσδιοριζόμενου στοιχείου

24 Λυχνία Κοίλης Καθόδου (2) Το απέναντι από την κάθοδο παράθυρο της λυχνίας από χαλαζία για τη δίοδο και της υπεριώδους ακτινοβολίας Ένταση ρεύματος που διαρρέει τη λυχνία 4-50 ma Χρόνος ζωής περιορισμένος mah

25 Λυχνία Κοίλης Καθόδου

26 Μηχανισμός Παραγωγής Γραμμικής Ακτινοβολίας σε ΛΚΚ

27 Φωτογραφία ΛΚΚ

28 Πολυστοιχειακές ΛΚΚ (1) Ηκάθοδος περιέχει περισσότερα από ένα στοιχεία (2-6) Από κράμα των αντίστοιχων μετάλλων Από ξεχωριστούς δακτυλίους κάθε μετάλλου Χρήσιμες για προσδιορισμό πολλών στοιχείων στη σειρά ήγια ορισμένους προσδιορισμούς σε αραιά χρονικά διαστήματα Συμφέρει 1 πολυστοιχειακή αντί πολλών μονοστοιχειακή

29 Πολυστοιχειακές ΛΚΚ (2) Μειονεκτήματα Μεγαλύτερο κόστος Μικρότερος χρόνος ζωής Μικρότερη ευαισθησία Μη εξαέρωση μετάλλων στον ίδιο βαθμό Με την πάροδο του χρόνου το πτητικότερο μέταλλο επικάθεται και επικαλύπτει τα άλλα μέταλλα με σχηματισμό μονοστοιχειακής λυχνίας

30 Στοιχεία για τα οποία υπάρχουν ΛΚΚ

31 Ρύθμιση Έντασης Ρεύματος ΛΚΚ Με αύξηση ρεύματος ΛΚΚ αυξάνει ηισχύς εκπεμπόμενης ακτινοβολίας Μειώνεται όμως οχρόνος ζωής της Ηένταση ρεύματος επηρεάζει το εύρος των εκπεμπόμενων γραμμών Συνήθως ένταση ρεύματος 4 50 ma Άριστη τιμή ποικίλλει από στοιχείο σε στοιχείο Εξαρτάται και από την κατασκευή της λυχνίας Συνιστάται διατήρηση χαμηλής έντασης με την προϋπόθεση ισχυρής εκπεμπόμενης ακτινοβολίας με ικανοποιητική τιμή λόγου S/N

32 Μικρό τμήμα φάσματος εκπομπής ΛΚΚ Fe

33 Λυχνίες Εκκενώσεως Άνευ Ηλεκτροδίων (ΛΕΑΗ) Εκκένωση πετυχαίνεται με μικροκύματα από ειδική πηγή Μόνο για 11 στοιχεία Πλεονεκτήματα Καθαρότερο φάσμα εκπομπής Όχι γραμμές συντονισμού φάσματος υλικού ηλεκτροδίων Μεγαλύτερη ισχύς 100πλάσια από ισχύ ΛΚΚ Μεγαλύτερος χρόνος ζωής

34 Λυχνία Εκκενώσεως Άνευ Ηλεκτροδίων (ΛΕΑΗ)

35 Λυχνία Εκκενώσεως Άνευ Ηλεκτροδίων

36 Εκνεφωτής - Καυστήρας Αποκλειστικά χρήση καυστήρα προαναμείξεως Συνηθέστερος συνδυασμός αερίων μίγμα ακετυλενίου αέρα Το καθαρό οξυγόνο αποφεύγεται Για λόγους ασφαλείας (λόγω μεγάλης ταχύτητας καύσεως, υπάρχει κίνδυνος μετάδοσης της φλόγας στον προθάλαμο ανάμιξης του εκνεφωτή και εκρήξεως Για αποφυγή ανεπιθύμητων υψηλών θερμοκρασιών

37 Καυστήρας Εκνεφωτής Προαναμείξεως

38 Καυστήρας Εκνεφωτής Προαναμείξεως

39 Καυστήρας Εκνεφωτής Προαναμείξεως

40 Πλεονεκτήματα Καυστήρα Προαναμείξεως για ΦΑΑ Μικρά μόνο σταγονίδια φθάνουν στη φλόγα (καλύτερη επαναληψιμότητα) Μεγαλύτερη οπτική διαδρομή (b), αυξημένη ευαισθησία Μικρότερη ποσότητα διαλύτη στη φλόγα, μικρότερη διατάραξη Ομοιογενής φλόγα Αθόρυβος

41 Οργανολογία ΦΑΑ Μονοχρωμάτορας Πρίσμα ήφράγμα, επιτρέπει τη δίοδο μόνο επιθυμητής ακτινοβολίας Ανιχνευτής Κατά κανόνα φωτοπολλαπλασιαστής Ενισχυτής Εναλλασσόμενου ρεύματος Όργανο μέτρησης Μετρητής ήκαταγραφέας ήψηφιακή μονάδα ή εκτυπωτής

42 Διάγραμμα ΦΑΑ

43 Φασματοφωτόμετρο Ατομικής Απορρόφησης

44 Άφλογη Φασματοφωτομετρία Ατομικής Απορρόφησης (ΑΦΑΑ) (1) Πλεονεκτήματα χρήσεως φλόγας ως μέσου ατομοποίησης Μικρό κόστος Σταθερότητα λειτουργίας Μειονεκτήματα Χημικές παρεμποδίσεις Σύντομη παραμονή ατόμων μέσα στη φλόγα Μη δυνατότητα αναλύσεως στερεών δειγμάτων

45 Άφλογη Φασματοφωτομετρία Ατομικής Απορρόφησης (ΑΦΑΑ) (2) Άρση δυσκολιών με ατομοποίηση δείγματος μέσα σε ειδικό κλίβανο που θερμαίνεται ηλεκτρικά, κατά προτίμηση σε ατμόσφαιρα αδρανούς αερίου (N 2 ή Ar) Μικροποσότητες διαλύματος (1-50 μl) ή στερεού δείγματος τοποθετούνται μέσα σε: Κοιλότητα ράβδου Λεμβίδιο Σωλήνα από γραφίτη, που βρίσκεται ακριβώς κάτω από τον οπτικό άξονα της ακτινοβολίας

46 Άφλογη Φασματοφωτομετρία Ατομικής Απορρόφησης (ΑΦΑΑ) (3) Διαβιβάζεται ρεύμα υψηλής εντάσεως Ανυψώνεται γρήγορα ηθερμοκρασία και ατομοποιείται το δείγμα Μπορεί να γίνει και σταδιακά, ώστε να εξατμισθεί στην αρχή οδιαλύτης, στη συνέχεια να καταστραφεί τυχόν υπάρχουσα οργανική ύλη και τέλος να ατομοποιηθούν τα επιθυμητά μέταλλα Ηαπορρόφηση: καταγράφεται με τη μορφή κορυφής μετρείται με ολοκληρωτή

47 Αρχή ΑΦΑΑ

48 Οργανολογία ΑΦΑΑ (1) Βάση σωλήνα γραφίτη

49 Οργανολογία ΑΦΑΑ (2) Μονάδα Ηλεκτροθερμαινόμενου Φούρνου Γραφίτη

50 Οργανολογία ΑΦΑΑ (3)

51 Μονάδα Ηλεκτροθερμικής Ατομοποίησης

52 Πλεονεκτήματα ΑΦΑΑ 1. Υψηλή ευαισθησία Παραμονή ατομικού ατμού στο χώρο διελεύσεως ακτινοβολίας συντονισμού για μεγάλο χρονικό διάστημα Όριο ανίχνευσης g 2. Δυνατότητα χειρισμού μικρών όγκων δειγμάτων (λίγων μlβιολογικού δείγματος) 3. Άμεση ανάλυση, χωρίς προκατεργασία του δείγματος 4. Μη σχηματισμός δύστηκτων οξειδίων, λόγω αδρανούς ατμόσφαιρας 5. Χαμηλός θόρυβος

53 Μειονεκτήματα ΑΦΑΑ Υψηλό κόστος Μικρή επαναληψιμότητα 5-10% έναντι 1% με φλόγα

54 Τεχνική Σχηματισμού Υδριδίων (1) Εφαρμόζεται στον προσδιορισμό ορισμένων στοιχείων που σχηματίζουν πτητικά υδρίδια As, Sb, Se, Te, Bi, Pb, Ge, Sn 1. Οξειδωτική προκατεργασία δίγματος (υγρή οδός (υγροχημική)) για την καταστροφή οργανικής ύλης 2. Κατεργασία με βοριοϋδρίδιο του νατρίου (NaH 4 ) σε ειδική συσκευή αντίδρασης 3. Διαβίβαση παραγόμενου υδριδίου με ρεύμα Ar σε ειδικό σωλήνα χαλαζία, που θερμαίνεται με φλόγα ακετυλενίου αέρα (1000 o C)

55 Τεχνική Σχηματισμού Υδριδίων (2) 4. Διάσπαση υδριδίου σε άτομα, παραμονή στο σωλήνα για αρκετό χρόνο, απορρόφηση της διερχόμενης ακτινοβολίας, εκδίωξη με ρεύμα Ar 5. Λαμβάνεται ως σήμα μια κορυφή απορρόφησης παρόμοια με αυτή της ηλεκτροθερμικής ατομοποίησης (ΑΦΑΑ)

56 Τεχνική Σχηματισμού Υδριδίων (3) Πλεονεκτήματα Αποφεύγονται παρεμποδίσεις από το δείγμα Μεγαλύτερη ευαισθησία ( φορές) Χαμηλότερα όρια ανίχνευσης Ιδιαίτερο ενδιαφέρον για τα τοξικά προσδιοριζόμενα στοιχεία σε πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις

57 Τεχνική Σχηματισμού Υδριδίων Παράδειγμα Αντιδράσεων As (4) 2As BH 4-2AsH 3 + H 2 + B 2 H 6 AsH 3 Θέρμανση As

58 Τεχνική Ψυχρού Ατμού για τον Προσδιορισμό Hg Με την ίδια τεχνική προσδιορίζεται ο υδράργυρος, χωρίς όμως θέρμανση του σωλήνα Ηαναγωγή ιόντων του υδραργύρου φθάνει μέχρι του ατομικού στοιχείου Όριο ανίχνευσης Hg με την τεχνική αυτή είναι 0,00003 μg/ml έναντι 0,1 μg/ml με την κλασική τεχνική φλόγας

59 Φιάλη Αντίδρασης Παραγωγής Υδριδίων

60 Κυψελίδα Χαλαζία Τεχνικής Υδριδίων

61 Μονάδα Τεχνικής Υδριδίων Εγκατεστημένη σε Φασματοφωτόμετρο AAS

62 Αυτοματοποίηση στη ΦΑΑ (1) Σύγχρονα φασματοφωτόμετρα ΦΑΑ αυτοματοποιημένα σε μεγάλο βαθμό με τη βοήθεια ενσωματωμένων μικροϋπολογιστών Έλεγχος / ρύθμιση όλων των παραμέτρων Επιλογή στοιχείου προς προσδιορισμό και αυτόματη ρύθμιση όλων των παραμέτρων

63 Αυτοματοποίηση στη ΦΑΑ (2) Επιλογή κατάλληλου καυσίμου οξειδωτικού και των πιέσεών τους Μήκος κύματος λειτουργίας Ένταση ρεύματος λυχνίας Ακριβής θέση καυστήρα Έναυσμα φλόγας Βαθμονόμηση με ένα ήπερισσότερα πρότυπα διαλύματα που βρίσκονται σε δειγματολήπτη μαζί με τα άγνωστα

64 Αυτοματοποίηση στη ΦΑΑ (3) Αυτόματος υπολογισμός εξίσωσης καμπύλης αναφοράς Υπολογισμός συγκεντρώσεως αγνώστων στις επιθυμητές μονάδες Σημαντικό πλεονέκτημα αυτοματισμού Αυτόματη διακοπή λειτουργίας σε περίπτωση επικίνδυνης αλλαγής σχέσεως ροής των δύο αερίων ήκακής λειτουργίας εκνεφωτή

65 Αυτοματοποιημένο Σύστημα ΦΑΑ

66 Προετοιμασία Δείγματος Επεξεργασία δείγματος εξαρτάται από Στοιχεία προς προσδιορισμό Μητρικό υλικό δείγματος Τεχνική ατομοποίησης Στην ΑΦΑΑ τα περισσότερα δείγματα δεν χρειάζονται προκατεργασία Στη ΦΦΑΑ: Πολλά υγρά δείγματα ψεκάζονται κατευθείαν στη φλόγα μετά από διάλυση σε κατάλληλο διαλύτη Στερεά δείγματα διαλύονται συνήθως σε οξέα, πολλά όμως χρειάζονται ειδικές τεχνικές διαλυτοποίησης

67 Ειδικές Τεχνικές Διαλυτοποίησης (1) Καύση σε πυριατήριο και διάλυση υπολλείματος σε οξέα Υγρή χώνευση Βρασμός δείγματος με διάφορα οξέα ή συνδυασμό οξέων και οξειδωτικών Αλκαλική σύντηξη Χρήση οβίδων χώνευσης (digestion bombs) για την αποφυγή απώλειας πτητικών ενώσεων στοιχείων

68 Ειδικές Τεχνικές Διαλυτοποίησης (2) Οβίδες χώνευσης Αποτελούνται εσωτερικά από Teflon και εξωτερικά από ανθεκτικό (ατσάλινο) περίβλημα Ποσότητα δείγματος τοποθετείται στην οβίδα με τα κατάλληλα αντιδραστήρια (οξέα και οξειδωτικά) και κλείνεται αεροστεγώς Οι οβίδες τοποθετούνται στο πυριατήριο Ο συνδυασμός υψηλής θερμοκρασίας και υψηλής πίεσης που αναπτύσσεται συντελεί στην πλήρη διαλυτοποίηση του δείγματος χωρίς απώλεια οποιουδήποτε στοιχείου Προσοχή στην ποσότητα δείγματος για να αποφευχθεί πιθανή έκρηξη.

69 Οβίδες Χώνευσης

70 Ειδικές Τεχνικές Διαλυτοποίησης (3) Χώνευση με Συσκευή Μικροκυμάτων (Microwave Digestion) Ποσότητα δείγματος τοποθετείται σε σωλήνες Teflon μαζί με το υγρό χώνευσης (οξέα οξειδωτικά) και κλείνονται αεροστεγώς Οι σωλήνες τοποθετούνται σε περιστρεφόμενη βάση και τοποθετούνται σε ειδική συσκευή μικροκυμάτων εφοδιασμένη με σύστημα απαγωγής ατμών Το δείγμα διαλυτοποιείται πλήρως υπό την επίδραση των μικροκυμάτων και των αντιδραστηρίων χώνευσης

71 Συσκευή Διαλυτοποίησης Μικροκυμάτων

72 Αντιδραστήρια (Υγρά) Χώνευσης) Για ανόργανα δείγματα Οξέα HCl (προτιμάται γιατί χλωριούχες ενώσεις πτητικές), HNO 3 και H 2 SO 4. Για οργανικά δείγματα Μείγμα HNO 3, H 2 SO 4 και HClO 4 Προσοχή στη χρήση HClO 4 μεοργανική ύλη Τα χρησιμοποιούμενα αντιδραστήρια στη ΦΑΑ πρέπει να είναι απαλλαγμένα προσμίξεων μετάλλων (spectroscopy grade)

73 Παρασκευή Διαλυμάτων Προτύπων και Δειγμάτων Λόγω των εξαιρετικά μικρών συγκεντρώσεων που προσδιορίζονται με την ΦΑΑ: Τα διαλύματα παρασκευάζονται με δις απεσταγμένο νερό (DDW) Διατηρούνται σε φιάλες πολυαιθυλενίου (μερικά μέταλλα προσροφούνται στην επιφάνεια υάλινων φιαλών) Αραιά διαλύματα (<1 ppm) παρασκευάζονται αυθημερόν από πυκνά διαλύματα παρακαταθήκης (stock solutions) Όλα τα σκεύη εκπλύνονται με επιμέλεια με διάλυμα απορρυπαντικού, αραιού οξέος και δις απεσταγμένου νερού

74 Μεθοδολογία Επιλέγεται ηκαταλληλότερη φασματική γραμμή Ηγραμμή συντονισμού ενός στοιχείου παρέχει τη μέγιστη ισχύ ακτινοβολίας Επιλέγονται οι βέλτιστες πειραματικές συνθήκες

75 Μέγεθος Απορροφήσεως Εξαρτάται (1) Ταχύτητα ψεκασμού και ταχύτητα εκνεφώσεως δείγματος Βαθμό ατομοποίησης Θερμοκρασία φλόγας (επηρεάζει βαθμό ατομοποίησης και εύρος γραμμής απορρόφησης) Τμήμα φλόγας μέσα από το οποίο διέρχεται η προσπίπτουσα ακτινοβολία (αριθμός ατόμων ποικίλλει από τη βάση στην κορυφή της φλόγας)

76 Μέγεθος Απορροφήσεως Εξαρτάται (2) Διαστοιχειακές αλληλεπιδράσεις μέσα στη φλόγα (χημικές παρεμποδίσεις) Από το διαλύτη Για μεγιστοποίηση ακρίβειας Διατήρηση σταθερών πειραματικών συνθηκών και περιοδικός έλεγχος καμπύλης αναφοράς με πρότυπα διαλύματα

77 Ρύθμιση Ύψους Παρατήρησης Διερχόμενης Ακτινοβολίας Για Κάθε Στοιχείο

78 Περιοχή συγκεντρώσεων - απορροφήσεων Μεγαλύτερη ακρίβεια επιτυγχάνεται όταν 0,2 < Α < 0,7 (%Τ = 70-20). Για Α> 0,7 αρχίζει μείωση αρχικής κλίσεως. Εάν Α> 0,7 για ένα διάλυμα Αραίωση διαλύματος Επιλογή λιγότερο ευαίσθητης φασματικής γραμμής Στροφή καυστήρα τύπου σχισμής για μείωση b οπτικής διαδρομής (εάν είναι δυνατόν) Μέτρηση στο μη γραμμικό τμήμα καμπύλης (μη γραμμική προσαρμογή ελαχίστων τετραγώνων)

79 Μέθοδοι ποσοτικοποίησης με ΦΑΑ (1) Μέθοδος Καμπύλης Αναφοράς Ρύθμιση μηδενός με λευκό διάλυμα Μέτρηση σειράς προτύπων διαλυμάτων, κατά το δυνατόν όμοιας σύστασης προς τα δείγματα Προστίθεται NaCl ή NH 4 Cl για την εξομείωση πυκνότητας διαλυμάτων Κατασκευή καμπύλης αναφοράς Όταν μικρός αριθμός δειγμάτων ήηκαμπύλη αναφοράς εμφανίζει καμπύλωση, χρήση μεθόδου παρεμβολής

80 Μέθοδοι ποσοτικοποίησης με ΦΑΑ (2) Μέγεθος προσθήκης γνωστής ποσότητας Οποτεδήποτε είναι αδύνατη ήδύσκολη η παρασκευή πρότυπων διαλυμάτων παρόμοιας σύστασης προς τα άγνωστα και όταν αυτά περιέχουν μεγάλη ποσότητα (>0,5 g/l) διαλυμένων ουσιών Μέθοδος εσωτερικού προτύπου Εφαρμόζεται σπάνια, σε ειδικές περιπτώσεις

81 Ευαισθησία Όριο Ανίχνευσης ΦΑΑ Ευαισθησία (ή χαρακτηριστική συγκέντρωση) ορίζεται η συγκέντρωση (μg/ml), υδατικού διαλύματος του στοιχείου που απορροφά το 1% της προσπίπτουσας ακτινοβολίας Συγκέντρωση που αντιστοιχεί σε απορρόφηση Α = log (100/99) = 0,044 Ηευαισθησία αποτελεί μέτρο της κλίσεως της καμπύλης αναφοράς. Όριο ανίχνευσης ΦΑΑ όπως ΦΦΕ

82 Σφάλματα ΦΑΑ Ισχύουν οι παρεμποδίσεις της ΦΦΕ σε μικρότερο όμως βαθμό Σπανιότερες φασματικές παρεμποδίσεις λόγω μικρού εύρους ταινίας ακτινοβολίας από ΛΚΚ (0,001 0,005 nm). Σοβαρό πρόβλημα στη ΦΑΑ ησκέδαση ακτινοβολίας συντονισμού από στερεά σωματίδια της φλόγας από πλημμελή εξαέρωση δείγματος Προκαλεί πλασματική αύξηση απορροφήσεως (απορρόφηση υποβάθρου) Ανάλογη με την απορρόφηση που προκαλεί το θόλωμα διαλύματος στη μοριακή φασματοφωτομετρία Μπορεί να αντιμετωπισθεί με αλλαγή πειραματικών συνθηκών (αύξηση θερμοκρασίας φλόγας) Διαφορετικά τεχνικές διόρθωσης υποβάθρου

83 Διόρθωση Υποβάθρου (1) Τεχνική Πηγής Συνεχούς Ακτινοβολίας (λυχνία δευτερίου) Ησυνεχής ακτινοβολία λυχνίας δευτερίου και η γραμμική ακτινοβολία ΛΚΚ του στοιχείου ακολουθούν εκ περιτροπής την ίδια ακριβώς διαδρομή μέσα από το νέφος των ατόμων, με τη βοήθεια περιστρεφόμενου τεμαχιστή. Ηαπορρόφηση της συνεχούς ακτινοβολίας (απορρόφηση υποβάθρου) αφαιρείται ηλεκτρονικά από την απορρόφηση της φασματικής γραμμής Ηαπομένουσα απορρόφηση της φασματικής γραμμής αντιστοιχεί μόνο στο προσδιοριζόμενο στοιχείο.

84 Διόρθωση Υποβάθρου με Λυχνία D 2 για ΦΑΑ

85 Διόρθωση Υποβάθρου με Λυχνία D 2 για ΑΦΦΑ

86 Continuum Source Background Correction (line source passes through furnace) Analyte Absorbance + Background Absorbance

87 Continuum Source Background Correction (continuum source passes through furnace) Background Only

88 Διόρθωση Υποβάθρου (2) Τεχνική Zeeman (1) Η «κυψελίδα» του νέφους των ατόμων τοποθετείται εντός μαγνητικού πεδίου Μεταξύ ΛΚΚ και «κυψελίδας» παρεντίθεται ένας πολωτής. Όταν το επίπεδο πολώσεως της ακτινοβολίας είναι κάθετο προς το μαγνητικό πεδίο, η ακτινοβολία της ΛΚΚ δεν απορροφάται από το νέφος των ατόμων Αντίθετα ηαπορρόφηση υποβάθρου είναι ανεξάρτητη από το επίπεδο πολώσεως

89 Διόρθωση Υποβάθρου (3) Τεχνική Zeeman (2) Ηακτινοβολία της ΛΚΚ πολώνεται εκ περιτροπής, παράλληλα και κάθετα προς το εφαρμοζόμενο μαγνητικό πεδίο Στον ένα κύκλο (επίπεδο πολώσεως παράλληλο προς το μαγνητικό πεδίο) μετρείται το σύνολο της απορρόφησης (απορρόφηση προσδιοριζόμενου στοιχείου + απορρόφηση υποβάθρου). Στον άλλο κύκλο μετρείται μόνο ηαπορρόφηση υποβάθρου. Ηδιαφορά μεταξύ των δύο απορροφήσεων μετρείται ηλεκτρονικά και συσχετίζεται με τη συγκέντρωση του προσδιοριζόμενου στοιχείου.

90 Διόρθωση Υποβάθρου με τεχνική Zeeman

91 Φαινόμενο Zeeman Αριστερά (χωρίς μαγνητικό πεδίο) μετρείται το άθροισμα Δεξιά (με μαγνητικό πεδίο) η πολωμένη ακτινοβολία χωρίζεται σε δύο συνιστώσες που δεν μετρώνται και μετρείται μόνο ημη πολωμένη ακτινοβολία υποβάθρου

92 Εφαρμογές ΦΑΑ (1) Τεχνική επιλογής (και επίσημη τεχνική) για τον προσδιορισμό μεγάλου αριθμού μετάλλων Προσδιορίζονται περίπου 70 στοιχεία, ιδίως σε πολύ χαμηλές συγκεντρώσεις (0,1 100 ppm) σε μεγάλη ποικιλία δειγμάτων Επίσης και για τον προσδιορισμό κυρίων συστατικών και τον έμμεσο προσδιορισμό ανιόντων και ουσιών που αντιδρούν με μεταλλοϊόντα

93 Εφαρμογές ΦΑΑ (2) Χρησιμοποιείται ευρέως σε αναλύσεις: Υδάτων Βιολογικών δειγμάτων Φαρμακευτικών υλών και σκευασμάτων Καλλυντικών Τροφίμων Λιπασμάτων Στη μεταλλουργία Στην ιατρική Στην τοξικολογία και ιατροδικαστική Στη γεωργική χημεία Στη βιοχημεία Στον έλεγχο μολύνσεως περιβάλλοντος

94

95 Σύγκριση ΦΑΑ με ΦΦΕ Ελάχιστες φασματικές παρεμποδίσεις Ηαπορρόφηση λιγότερο ευαίσθητη στη θερμοκρασία από ότι ηεκπομπή Μεγαλύτερη δυναμική περιοχή Ανάλυση περισσότερων στοιχείων (70 έναντι 30) Μειονεκτήματα: Όχι εφαρμογή στην ποιοτική ανάλυση, υψηλότερο κόστος

96 Σύγκριση Ορίων Ανίχνευσης λ < 300 nm μικρότερα όρια στη ΦΑΑ λ > 300 nm μικρότερα όρια στη ΦΕ λ = nm ίδιας τάξεως για τις δύο τεχνικές

97 ΦΑΣΜΑΤΟΦΩΤΟΜΕΤΡΙΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΜΕ ΕΠΑΓΩΓΙΚΑ ΣΥΖΕΥΓΜΕΝΟ ΠΛΑΣΜΑ (ICP) (1) Χρησιμοποιεί ως μέσο διεγέρσεως δείγματος πλάσμα αργού Το πλάσμα αργού έχει εξαιρετική σταθερότητα σε αντίθεση με παλαιότερες φασματοσκοπικές τεχνικές εκπομπής (τόξου, εκκενώσεως) Είναι δυνατός οσύγχρονος προσδιορισμός μέχρι και 60 στοιχείων, με υψηλή ευαισθησία και ασυνήθιστα μεγάλη γραμμική αναλυτική περιοχή.

98 ΦΑΣΜΑΤΟΦΩΤΟΜΕΤΡΙΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΜΕ ΕΠΑΓΩΓΙΚΑ ΣΥΖΕΥΓΜΕΝΟ ΠΛΑΣΜΑ (ICP) (2) Το πλάσμα σχηματίζεται με τη δίοδο υψηλής καθαρότητας αργού μεταξύ του μεσαίου και εσωτερικού σωλήνα συστήματος τριών ομόκεντρων σωλήνων από χαλαζία. Το αέριο ιονίζεται, καθώς διέρχεται από ένα ισχυρό μαγνητικό πεδίο, που δημιουργείται από ένα επαγωγικό πηνίο ραδιοκυμάτων (27 MHz) Το δημιουργούμενο πλάσμα έχει θερμοκρασία ο K

99 ΦΑΣΜΑΤΟΦΩΤΟΜΕΤΡΙΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΜΕ ΕΠΑΓΩΓΙΚΑ ΣΥΖΕΥΓΜΕΝΟ ΠΛΑΣΜΑ (ICP) (3) Ένα δεύτερο ψυκτικό ρεύμα αργού διέρχεται ελικοειδώς μεταξύ του μεσαίου και του εξωτερικού σωλήνα για να ψύξει το μεσαίο σωλήνα και να τον προφυλάξει από την υψηλή θερμοκρασία. Το διάλυμα δείγματος εισάγεται με πνευματικό εκνεφωτή με τη βοήθεια ρεύματος αργού. Ηυψηλή θερμοκρασία πλάσματος προκαλεί σχεδόν ποσοτική εξαέρωση και ατομοποίηση του δείγματος και διέγερση των στοιχείων Ηευαισθησία της ΦE-ICP είναι συγκρίσιμη με εκείνη της ΦΦΑΑ.

100 Σχηματικό Διάγραμμα ΦΕ-ICP (α) Με μονοχρωμάτορα (β) Με πολυχρωμάτορα

101 Πυρσός Πλάσματος

102 Πνευματικός Εκνεφωτής ΦΕ-ICP

103 ΦΑΣΜΑΤΟΦΩΤΟΜΕΤΡΙΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΜΕ ΕΠΑΓΩΓΙΚΑ ΣΥΖΕΥΓΜΕΝΟ ΠΛΑΣΜΑ (ICP) (4) Δεν παρατηρούνται αλληλεπιδράσεις που εμφανίζονται μεταξύ ατμοσφαιρικού αέρα και φλόγας ήτόξου Λόγω αδράνειας του πλάσματος αργού Αμελητέες παρεμποδίσεις ιονισμού Το πλάσμα πλούσιο σε ηλεκτρόνια από ιονισμό αργού Δεν απαιτείται ηπροσθήκη φασματοχημικών ρυθμιστών

104 ΦΑΣΜΑΤΟΦΩΤΟΜΕΤΡΙΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ ΜΕ ΕΠΑΓΩΓΙΚΑ ΣΥΖΕΥΓΜΕΝΟ ΠΛΑΣΜΑ (ICP) (5) Το εκπεμπόμενο πολύπλοκο γραμμικό φάσμα αναλύεται και μετρείται με Μονοχρωμάτορα ταχείας σαρώσεως και ένα φωτοπολλαπλασιαστή Πολυχρωμάτορα (κοίλο φράγμα περίθλασης) και σειρά φωτοπολλαπλασιαστών Σύγχρονος προσδιορισμός 60 στοιχείων Μικροϋπολογιστής για επεξεργασία σημάτων Χρήση εσωτερικού προτύπου για τη διόρθωση επίδρασης μήτρας.

105 ΦΕ-ICP με πολυχρωμάτορα

106 Σχηματικό Διάγραμμα ΦΕ-ICP

107 Φασματοφωτόμετρο Εκπομπής ICP

108 Σημαντικότερο πλεονέκτημα ΦΕ-ICP Μεγάλη γραμμική αναλυτική περιοχή Μπορούν να αναλυθούν συστατικά με διαφορά συγκεντρώσεως μέχρι και 6 τάξεις μεγέθους χωρίς αραίωση δείγματος Οφείλεται στο ότι το πλάσμα είναι «οπτικά λεπτό» και δεν παρουσιάζει το φαινόμενο της αυτοαπορρόφησης Ητεχνική είναι συναγωγνιστική των άλλων φασματοφωτομετρικών τεχνικών, αλλά υψηλού κόστους

109 Σύγχρονες εφαρμογές ΦΕ-ICP Ευρεία εφαρμογή σε προγράμματα υγείας παρακολούθησης συγκέντρωσης ιχνοστοιχείων σε βιολογικά υγρά (μέχρι και σε επίπεδα ppb) που σχετίζονται με ασθένειες.

110 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΑΤΟΜΙΚΗΣ ΦΑΣΜΑΤΟΦΩΤΟΜΕΤΡΙΑΣ ΣΤΗ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ (1) Προσδιορισμός διαφόρων μετάλλων, ιχνοστοιχείων ήκύριων συστατικών στα φαρμακευτικά προϊόντα Προσδιορισμός Na, K, Li, Ca, Mg, Al και Zn τα συχνότερα προσδιοριζόμενα στη φαρμακευτική ανάλυση Προσδιορισμός αλκαλίων Na και K κατά τον έλεγχο παρεντερικών σκευασμάτων (ΦΦΕ φθηνή μέθοδος, ΦΦΑΑ πλέον ακριβής) Δισκία Li 2 CO 3 ελέγχονται για την περιεκτικότητά τους με προσδιορισμό Li με ΦΦΕ

111 ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ ΑΤΟΜΙΚΗΣ ΦΑΣΜΑΤΟΦΩΤΟΜΕΤΡΙΑΣ ΣΤΗ ΦΑΡΜΑΚΕΥΤΙΚΗ ΑΝΑΛΥΣΗ (2) Προσδιορισμός Li σε πλάσμα με ΦΦΕ ή ΦΦΑΑ Προσδιορισμός Ca και Mg σε παρεντερικά σκευάσματα με ΦΦΕ ήφφαα Προσδιορισμός Zn σε σκευάσματα ινσουλίνης, κρέμες, κόνεις, σαμπουάν με ΦΦΑΑ Προσδιορισμός ιχνοστοιχείων σε πολυβιταμινούχα σκευάσματα με ΦΦΑΑ ή ΑΦΑΑ ήφε-icp Προσδιορισμός τοξικών μετάλλων σε πρώτες ύλες και σκευάσματα.