ΜΑΘΗΜΑ: ΜΕΘΟΔΟΙ ΠΡΟΣΔΙΟΡΙΣΜΟΥ ΙΧΝΟΣΤΟΙΧΕΙΩΝ Θέμα: ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΑ ΑΤΟΜΙΚΗΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ
ΦΑΣΜΑΤΟΣΚΟΠΙΚΕΣ ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΜΟΡΙΑΚΗ ΦΑΣΜΑΤΟΦΩΤΟΜΕΤΡΙΑ (Μοριακή ανάλυση αλληλεπίδραση μορίων με ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία) ΑΤΟΜΙΚΗ ΦΑΣΜΑΤΟΦΩΤΟΜΕΤΡΙΑ (Στοιχειακή ανάλυση Ποιοτική-Ποσοτική) ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΙΑ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΕΩΣ Υπεριώδους (UV) Ορατού (Visible) Υπερύθρου (IR) ΦΘΟΡΙΣΜΟΜΕΤΡΙΑ ΟΠΤΙΚΗ ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΙΑ ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΙΑ ΜΑΖΩΝ ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΙΑ ΑΚΤΙΝΩΝ-Χ
ΑΤΟΜΙΚΗ ΦΑΣΜΑΤΟΦΩΤΟΜΕΤΡΙΑ ΟΠΤΙΚΗ ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΙΑ Ομάδα τεχνικών βασιζόμενων στην αλληλεπίδραση ατόμων με την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία. Η ατομοποίηση, μετατροπή στοιχείων δείγματος σε άτομα στην αεριώδη κατάσταση, γίνεται με τη βοήθεια θερμικής ή ηλεκτρικής ενέργειας ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΙΑ ΕΚΠΟΜΠΗΣ (Μέτρηση ακτινοβολίας εκπεμπόμενης από άτομα που βρίσκονται σε διεγερμένη κατάσταση) ΦΑΣΜΑΤΟΜΕΤΡΙΑ ΑΤΟΜΙΚΗΣ ΑΠΟΡΡΟΦΗΣΗΣ ΑΤΟΜΙΚΗ ΦΘΟΡΙΣΜΟΜΕΤΡΙΑ (Μέτρηση φθορισμού από άτομα που διεγέρθηκαν με κατάλληλη πηγή ακτινοβολίας)
Φασματομετρία Ατομικής Απορρόφησης Μέτρηση απορρόφησης ακτινοβολίας χαρακτηριστικού μήκους κύματος από άτομα στοιχείου που βρίσκονται στη βασική κατάσταση Φλογοφασματοφωτομετρία Ατομικής Απορρόφησης (ΦΦΑΑ ή ΑΑS) (Ατομοποίηση προσδιοριζόμενου στοιχείου σε φλόγα ελεγχόμενης θερμοκρασίας) Άφλογος Φασματοφωτομετρία Ατομικής Απορρόφησης (ΑΦΦΑ) (Ατομοποίηση προσδιοριζόμενου στοιχείου σε ηλεκτρικά θερμαινόμενο κλίβανο)
Αρχή της Φλογοφασματομετρίας Ατομικής Απορρόφησης Το 1760 ο Lambert βρήκε ότι: Ι t = Ι ο e -κd Ι ο ένταση προσπίπτουσας δέσμης φωτός σε ομογενές μέσον με ομοιόμορφο πάχος d και Ι t ένταση εξερχόμενου φωτός και κ συντελεστής αναλογίας γνωστός ως συντελεστής απορρόφησης Αν το ακτινοβολούμενο μέσο είναι διάλυμα μιας απορροφούσας ουσίας συγκέντρωσης c σε ένα μέσο που δεν απορροφά την ακτινοβολία τότε: κ = ε.c Έτσι ο Beer διατύπωσε τον νόμο του Lambert υπό τη μορφή: Α log Ι ο / Ι t = ε.c. d ε είναι η γραμμομοριακή απορροφητικότητα με διαστάσεις L/mol.cm αν c mol/l και d σε cm
Φλογοφασματομετρία Ατομικής Απορρόφησης Ποσοτική μέθοδος ανάλυσης που εφαρμόζεται για τον προσδιορισμό ~70 στοιχείων (κυρίως μετάλλων και μερικών αμετάλλων) Σαν αναλυτική μέθοδος προτάθηκε για πρώτη φορά το ~1955 στην Αυστραλία από τον Walsh και τους συνεργάτες του. Η πρώτη παρατήρηση ατομικής απορρόφησης είχε γίνει το 1860 (!) από τον Kircchoff που παρατήρησε την παρουσία πολλών στοιχείων στην ηλιακή ατμόσφαιρα από τις γραμμές απορρόφησης
Φλογοφασματομετρία Ατομικής Απορρόφησης Είναι από τις σπουδαιότερες τεχνικές για έλεγχο και χαρακτηρισμό της στοιχειακής σύστασης πολλών υλικών και περιβαλλοντικών δειγμάτων όπως: 1) Νερό ωκεανών 2) Νερό ποταμών και ρυακιών 3) Υγρά απόβλητα 4) Λύματα 5) Αιωρήματα κ.λπ.
Οργανολογία Φλογοφασματομετρίας Ατομικής Απορρόφησης Τα κυριώτερα μέρη ενός φασματοφωτομέτρου ατομικής απορρόφησης είναι μια πηγή φωτός, η φλόγα και ο ανιχνευτής
Οργανολογία Φλογοφασματομετρίας Ατομικής Απορρόφησης Σ αυτή τη μέθοδο φως από την πηγή περνάει μέσα από το δείγμα στον ανιχνευτή. Όσο μεγαλύτερη είναι ποσότητα του προς ανάλυση στοιχείου τόσο μεγαλύτερη η απορρόφηση φωτός από το δείγμα
Οργανολογία Φλογοφασματομετρίας Ατομικής Απορρόφησης Φλόγα- Καυστήρας Πηγή ακτινοβολίας Ι ο Ι Μονοχρωμάτορας Ανιχνευτής Ενισχυτής Όργανο μέτρησης Σύστημα εισαγωγής δείγματος Σχηματικό διάγραμμα φλογοφωτομέτρου ατομικής απορρόφησης. Το σημαντικότερο εξάρτημα είναι ο ατομοποιητής - φλόγα καυστήρας- όπου το δείγμα ατομοποιείται σε αέρια κατάσταση (ελεύθερα άτομα ή ιόντα)
ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΙΣΑΓΩΓΗΣ ΔΕΙΓΜΑΤΟΣ ΣΤΗ Φλογοφασματομετρία Ατομικής Απορρόφησης Πρέπει να γίνεται επαναλήψιμη και αντιπροσωπευτική μεταφορά μέρους του δείγματος στη φλόγα με υψηλή απόδοση και χωρίς παρεμποδίσεις Εκνεφωτής Τριχοειδής Οξειδωτικό Φλόγα Καυστήρας Καύσιμο Απόβλητα Θάλαμος ψεκασμού Βαλβίδα ασφαλείας Σχηματικό διάγραμμα συστήματος εκνέφωσης-ψεκασμού θαλάμου καυστήρα Τα υδατικά διαλύματα εισάγονται στη φλόγα σαν αερόλυμα που σχηματίζεται κυρίως με τη μέθοδο της πνευματικής εκνέφωσης. Δηλαδή με εκτοξευτήρα πεπιεσμένου αερίου το δείγμα μετατρέπεται σε λεπτοδιασπειρόμενα σωματίδια και μεταφέρεται στη φλόγα
ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΙΣΑΓΩΓΗΣ ΔΕΙΓΜΑΤΟΣ ΣΤΗ Φλογοφασματομετρία Ατομικής Απορρόφησης Διάλυμα δείγματος Ροή αερίου με υψηλή πίεση Σχηματικό διάγραμμα εκνεφωτή (συγκεντρικός σωλήνας) Εισρόφηση (aspiration) Το υγρό δείγμα απορροφάται μέσω τριχοειδούς σωλήνα με ρεύμα αερίου υψηλής πίεσης γύρω από το άκρο του σωλήνα (φαινόμενο Bernoulli). Το αέριο διασπά το υγρό σε λεπτές σταγόνες διαφόρων μεγεθών (aerosol), που πρέπει να είναι μικρότερες από 10 μm ώστε να υπάρχει πιθανότητα 100% να μετατραπούν σε ελεύθερα άτομα μέσα στη φλόγα (1-2 μm). Τελικά σ αυτό το στάδιο της διαδικασίας, περίπου 90% του δείγματος καταλήγει στα απόβλητα και απομακρύνεται!! Αυτό αποτελεί ένα μειονέκτημα της μεθόδου που λύνεται εν μέρει με τη χρήση φούρνου γραφίτη.
ΜΕΘΟΔΟΙ ΕΙΣΑΓΩΓΗΣ ΔΕΙΓΜΑΤΟΣ ΣΤΗ Φλογοφασματομετρία Ατομικής Απορρόφησης Σε καυστήρες προαναμίξεως (Laminar-Flow) το δείγμα αναμιγνύεται με ένα οξειδωτικό και ένα καύσιμο αέριο πριν να καεί. Προς αύξηση της ευαισθησίας τοποθετείται στη δίοδο των σταγονιδίων γυάλινη σφαίρα, (Impact bead), ώστε τα μεγαλύτερα να αποκτούν επίσης διάμετρο περίπου 10 μm. Κεφαλή καυστήρα Βαλβίδα ασφαλείας Εκνεφωτής Τριχοειδής σωλήνας Απόβλητα Δείγμα
Τι ακριβώς συμβαίνει κατά τη Φλογοφασματομετρία Ατομικής Απορρόφησης ΕΙΣΡΟΦΗΣΗ ΔΙΑΣΠΑΣΗ ΦΛΟΓΑ Λεπτά σταγονίδια διαλύματος Λεπτότερα σταγονίδια Υγρό aerosol Υπέρκορο διάλυμα Στερεό aerosol Λεπτομερή στάδια μετατροπής του υγρού δείγματος σε άτομα από τη στιγμή της εισρόφησης μέχρι και την εισαγωγή του σε φλόγα φασματοφωτομέτρου ΧΗΜΕΙΑ ΑΕΡΙΑΣ ΦΑΣΗΣ (αναπόφευκτος σχηματισμός ατόμων)
Ατομοποίηση με φλόγα Πολύπλοκη είναι η σειρά των αλληλοσυνδεόμενων διαδικασιών που συμβαίνει όταν το δείγμα ψεκασθεί στη φλόγα, όπως: 1) Απομάκρυνση διαλύτη και μετατροπή του αερολύματος σε σωματίδια άλατος (επιδρούν μέγεθος και ταχύτητα σταγόνων, είδος διαλύτη, σύνθεση και θερμοκρασία φλόγας) 2) Εξαέρωση, όπου συμβαίνουν σοβαρές παρεμβολές. (επιδρούν μέγεθος και σύνθεση σωματιδίων, θερμοκρασία και ύψος φλόγας) 3) Μοριακό αερόλυμα 4) Ατομικό αέριο
Ατομοποίηση με φλόγα (αποδιαλύτωση) Σχηματική παράσταση των σπουδαιότερων φαινομένων μέσα στη φλόγα κατά τον ψεκασμό της ένωσης ΜΑ
Τύποι φλογών για ΑΑS Ανάλογα με το στοιχείο που προσδιορίζεται, τη φύση του μητρικού υγρού και την εφαρμοζόμενη τεχνική, συνήθως δύο κυρίως φλόγες χρησιμοποιούνται στην ΦΑΑ: 1) Φλόγα Αέρα Ακετυλενίου 2) Φλόγα Υποξειδίου του αζώτου- Ακετυλενίου Φλόγες για ΦΑΑ Οξειδωτικό Καύσιμο Μέγιστη θερμοκρασία ( ο C) Αέρας Ακετυλένιο 2250 Ν 2 Ο Ακετυλένιο 2955 Αέρας Προπάνιο 1725 Αέρας Υδρογόνο 2045 Οξυγόνο Φυσικό αέριο 2740 Οξυγόνο Υδρογόνο 2677 Οξυγόνο Ακετυλένιο 3060 Ταχύτητα διάδοσης φλόγας στο μίγμα αερίων Μέγιστη ταχύτητα καύσης (cm/s) 158-266 285 Πρέπει: ταχύτητα ροής αερίων = = ταχύτητα καύσης για σταθερή φλόγα, αλλιώς flashback ή απόσπαση φλόγας από καυστήρα
Φλόγα Αέρα Ακετυλενίου Στοιχείο λ(nm) Όριο ανίχνευσης (μg/ml) Φλόγα Αέρα Ν 2 Ο Στοιχείο λ(nm) Όριο ανίχνευσης (μg/ml) As 193,7 0,14 Al 309,3 0,03 Ca 422,7 0,001 Sn 286,3 0,11 Cd 228,8 0,0005 Ti 364,3 0,05 Co 240,7 0.006 V 318,4 0,04 Cr 357,9 0.002 W 255,1 1,2 Cu 324,7 0,001 Fe 248,3 0.003 Pb 283,3 0,01 Φλόγες για ΑΑS Για τα περισσότερα στοιχεία χρησιμοποιείται η Φλόγα Αέρα Ακετυλενίου Η Φλόγα Αέρα Ν 2 Ο χρησιμοποιείται για τα στοιχεία που σχηματίζουν δύστηκτα οξείδια διότι περιέχει υψηλές συγκεντρώσεις αναγωγικών CN, NH. Όμως ιονίζει περισσότερο!
ΠΗΓΕΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ για ΑΑS Συνηθέστερη η λυχνία κοίλης καθόδου (Hollow Cathode Lamp) με κάθοδο κατασκευασμένη (ή επιστρωμένη) με το προς ανάλυση μέταλλο Σχηματική τομή μιας λυχνίας κοίλης καθόδου Οι λάμπες τοποθετούνται σε ειδικό τμήμα του οργάνου (Lamp turret)
Λειτουργία της λυχνίας κοίλης καθόδου (HCL) Με εφαρμογή V>300 V δημιουργείται ρεύμα 3-25 ma από την κίνηση των ιόντων και ηλεκτρονίων του αερίου. Στην κάθοδο: 1. Συγκρούονται Ne + ή Ar + και εκτοπίζουν μεταλλικά άτομα Μ 0 στη βασική κατάσταση (sputtering), 2. Αυτά διεγείρονται, Μ* καθώς συγκρούονται με ταχέα ιόντα του αερίου, 3. Τα αποδιεγειρόμενα Μ* εκπέμπουν ακτινοβολία με λ χαρακτηριστικό για το Μ 0 1. ΕΚΤΟΠΙΣΗ 2. ΔΙΕΓΕΡΣΗ 3. ΕΚΠΟΜΠΗ Η κυλινδρική κάθοδος βοηθά στη συγκέντρωση της ακτινοβολίας στο κοίλωμα και στην επαναπόθεση των ατόμων του στοιχείου, μετά την αποδιέγερση, πάλι εκεί παρά στα τοιχώματα της λάμπας!
ΠΗΓΕΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ για ΑΑS Διατίθενται επίσης προς χρήση και πολυστοιχειακές λάμπες κοίλης καθόδου, αλλά προτιμώνται η μονοστοιχειακές διότι παρουσιάζουν: Ισχυρότερο σήμα εκπομπής της επιθυμητής γραμμής και Μικρότερη πιθανότητα επικαλύψεων Πολυστοιχειακές λάμπες χρησιμοποιούνται για back up κάποιων στοιχείων και αποτελούν πηγές για σπάνια προσδιοριζόμενα στοιχεία
ΠΗΓΕΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ για ΑΑS Όταν η λάμπα «τρέχει» σε περίπου 3 ma το πλάτος της γραμμής της ατομικής εκπομπής είναι περίπου το ίδιο ή και «στενότερο» εκείνου του προφίλ της ατομικής απορρόφησης των ελεύθερων ατόμων μέσα στη φλόγα. Έτσι η λάμπα της κοίλης καθόδου αποτελεί σχεδόν μια «ιδανική» πηγή για τις μετρήσεις ατομικής απορρόφησης, καθώς το λ της ταιριάζει ακριβώς με εκείνο του αναλύτη και το «πλάτος» της είναι ουσιαστικά ιδανικό για τα άτομα μέσα στη φλόγα. Aπαιτείται βεβαίως και υψηλής ποιότητας μονοχρωμάτορας με διαπερατότητα της τάξης των 0.02 nm! Επιπρόσθετα με τις κύριες γραμμές απορρόφησης πολλά στοιχεία διαθέτουν και μερικές δευτερεύουσες και λιγότερο ευαίσθητες γραμμές που μπορούν να χρησιμοποιηθούν κυρίως σε διαλύματα πολύ υψηλών συγκεντρώσεων! Π.χ. για το Fe συνήθως χρησιμοποιείται η γραμμή στα 248,3 nm που παρέχει ιδανικά αποτελέσματα σε περιοχές 2-10 μg/ml, ενώ χρήση των γραμμών σε 372,0, 386,0 και 392,0 nm για συγκεντρώσεις 10, 20 και 390 φορές μεγαλύτερες αντίστοιχα
Διόρθωση Υποβάθρου (Background, BG) Τα κύρια προβλήματα στην AAS αποτελούν οι: 1. Φασματικές παρεμποδίσεις (α) Απορρόφηση οφειλόμενη στη φλόγα (β) Απορρόφηση προκαλούμενη από το «μητρικό» υγρό, (σκέδαση και μοριακή απορρόφηση) και οι δυό ανεξάρτητες από το αναλυόμενο στοιχείο Η πρώτη περίπτωση, (α), διορθώνεται εύκολα ρυθμίζοντας το «μηδέν» στην απορρόφηση με την εκνέφωση ενός «τυφλού» (blank) δείγματος. Στη (σοβαρότερη) δεύτερη περίπτωση, (β), το τελικό αποτέλεσμα σε ότι αφορά στις μετρήσεις, είναι η «ψευδής» μεγάλη αύξηση των τιμών της απορρόφησης. Αντιμετωπίζεται κυρίως με δύο τρόπους: (i) Με χρήση συνεχούς πηγής δευτερίου (D 2 lamp) (ii) Με τη μέθοδο της αυτοαναστροφής (Self Reversal) της πηγής 2. Χημικές παρεμποδίσεις οφειλόμενες σε διαδικασίες κατά την ατομοποίηση, που αλλάζουν τα χαρακτηριστικά της απορρόφησης της αναλυόμενης ουσίας (π.χ. σχηματισμός δύστηκτων ενώσεων του Μ) και ελαχιστοποιούνται με κατάλληλη επιλογή συνθηκών λειτουργίας
Διόρθωση Background με λάμπα δευτερίου Μέσω της φλόγας περνάει εναλλακτικά ακτινοβολία από τη συνεχή πηγή D 2 και από την HCL και η απορρόφηση από τη λυχνία D 2 αφαιρείται από εκείνη της δέσμης του αναλύτη.
Διόρθωση Background με λάμπα δευτερίου Σχηματική παράσταση της διόρθωσης BG με τη λάμπα D 2 Φάσμα λάμπας D 2 Απορρόφηση BG Ατομική απορρόφηση Φάσμα λάμπας κοίλης καθόδου Ατομική απορρόφηση+απορρόφηση BG
Διόρθωση Background βασιζόμενη στην αυτοαναστροφή της πηγής ακτινοβολίας (SR method) Η λάμπα κοίλης καθόδου, (HCL), προγραμματίζεται να λειτουργεί εναλλακτικά σε ρεύμα χαμηλής έντασης, ΙL, (ολική απορρόφηση) και σε ρεύμα υψηλής έντασης, IH, (απορρόφηση οφειλόμενη στο υπόστρωμα) Όταν λειτουργεί σε ΙL το φάσμα εκπομπής της λάμπας αποτελείται από μια οξεία κορυφή και απορροφάται από το δείγμα και από το BG Όταν η λάμπα λειτουργεί σε IH τα πυκνά νέφη των ατόμων Μ 0 που εκτοπίζονται από την κοίλη κάθοδο δημιουργούν ένα φάσμα εκπομπής με δύο κορυφές (φάσμα αυτοαναστροφής) που απορροφάται μόνο από το υπόστρωμα Η διορθωμένη τιμή (απορρόφηση οφειλόμενη μόνο στην υπό ανάλυση ουσία) προκύπτει με αφαίρεση της απορρόφησης του BG από την ολική!
Διόρθωση Background βασιζόμενη στην αυτοαναστροφή της πηγής ακτινοβολίας Σχηματική παράσταση της διόρθωσης του BG βασιζόμενη στην αυτοαναστροφή της πηγής Φάσμα IH Απορρόφηση BG Απορρόφηση BG Ρεύμα λάμπας IL IH Μήκος κύματος Φάσμα IL Μήκος κύματος Ατομική απορ/φηση Ατομική απορρόφηση Στιβάδα απορ/σης Ατομική απορ/φηση Απορρόφηση BG Χρόνος Ατομική απορρόφηση (Ενέργεια λάμπας) (Μέτρηση δείγματος) (Αναλογία συνιστώσας ενέργειας)
Προσδιορισμός της συγκέντρωσης δείγματος Μια πρότυπη καμπύλη αναφοράς χρησιμοποιείται για τον προσδιορισμό της άγνωστης συγκέντρωσης. Μετράται η απορρόφηση του δείγματος και προσδιορίζεται η συγκέντρωσή του με παρεμβολή στην πρότυπη καμπύλη
ΕΙΣΑΓΩΓΗ ΔΕΙΓΜΑΤΟΣ ΛΑΜΠΕΣ ΚΟΙΛΗΣ ΚΑΘΟΔΟΥ ΦΛΟΓΑ ΑΥΤΟΜΑΤΟΣ ΔΕΙΓΜΑΤΟΛΗΠΤΤΗΣ ΑΝΑΜΜΑ ΦΛΟΓΑΣ