2.2 SPETTROFOTOMETRIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO (AAS)

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1 2.2 SPETTROFOTOMETRIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO (AAS) Somministrando energia radiante di frequenza ed intensità adeguate ad un vapore atomico (atomi liberi di una specie chimica nel loro stato fondamentaledi energia E 0 ) questa viene in parte assorbita e la sua intensità in uscita, ne risulta diminuita. Gli atomi presenti nel vapore atomico invece, si eccitano passando ad uno stato di energia più alto, metastabile; si diseccitano quindi rapidamente tornando,o direttamente o attraverso stadi intermedi,allo stato fondamentale. Quando la fonte di eccitazione è di tipo elettromagnetico (energia radiante),il rilassamento è in genere di tipo termico (smorzamento per collisioni tra atomi o rilassamento non radiativo). Si parla,in questo caso, di assorbimento atomico A.A. (Fig. 1) Poichè gli atomi liberi non possono subire transizioni vibrazionali o rotazionali come le molecole,l assorbimento di energia radiante comporta solo transizioni elettroniche. Ci sono diversi modi per ottenere atomi liberi allo stato di vapore (vapore atomico); tra questi c è la fiamma o altri sistemi correlati Principi teorici Fig. 1 Quando una soluzione viene aspirata e nebulizzata sotto forma di finissimo aerosol all interno di una fiamma,si verifica una serie di trasformazioni sequenziali : Dallo schema riportato si comprende che qualunque sia la specie chimica di partenza e qualunque sia lo stato di ossidazione dell analita,dopo la sequenza di trasformazioni subite,si arriva sempre ad ottenere lo stesso allo stato atomico fondamentale. Se si irradia dunque la zona di atomizzazione con radiazioni monocromatiche di lunghezza d onda caratteristica,il vapore atomico assorbe una parte di energia e gli atomi che lo costituiscono si eccitano nel senso che i loro elettroni periferici passano in orbitali più esterni. Se si considerano per es. atomi di Na o di K,si possono prevedere le transizioni elettroniche riportate in Fig. 2. Perchè esse avvengano è necessario somministrare agli 1

2 elettroni energia radiante di frequenza opportuna e quindi radiazioni monocromatiche le cui lunghezze d onda sono segnate in figura,a lato di ciascuna transizione. Fig. 2 Poichè ogni atomo ha una sua configurazione elettronica,con elettroni situati in particolari orbitali,si può avere per ognuno di essi uno spettro di assorbimento atomico costituito da righe di assorbimento (righe scure in campo luminoso) corrispondenti alle possibili transizioni verificatesi. L intensità dell assorbimento per ciascuna riga, è proporzionale alla probabilità della particolare transizione. La riga corrispondente alla transizione più probabile,è quella relativa al passaggio dell elettrone dall'orbitale fondamentale a quello immediatamente successivo. Questa riga è detta riga di risonanza ed è quella che viene in genere sfruttata a fini analitici, così per es. per gli atomi di Na e K le righe di risonanza sono: Na 3s p 589 nm K 4s p nm Dai dati riportati si può notare che elementi che hanno valori del potenziale di 1 a ionizzazione più basso necessitano,per la loro eccitazione, di energie più basse e quindi,di lunghezze d onda delle radiazioni più alte. Le righe di assorbimento dovrebbero risultare rigorosamente monocromatiche in quanto le energie degli elettroni nei diversi orbitali sono quantizzate e quindi le transizioni dovrebbero corrispondere ad energie assorbite (cioè frequenze assorbite) e lunghezze d onda di assorbimento esattamente determinate, senza tolleranze di nessun genere. Le righe in realtà possono aumentare le loro ampiezze per una serie di cause piuttosto complesse (allargamento naturale,doppler,di Lorentz ecc.) diventando delle bande di assorbimento. Le loro ampiezze però, sono estremamente piccole (mediamente dell ordine di nm (0,02 A)). Irradiando dunque un vapore atomico con una radiazione luminosa praticamente monocromatica, corrispondente alla λ di risonanza di una particolare specie chimica, si verifica un assorbimento di radiazioni proporzionale al numero di atomi della specie, presenti nel vapore atomico allo stato fondamentale. Mandando in fiamma una soluzione per ottenerne l atomizzazione, può capitare però che una parte degli atomi originatisi, non rimangano allo stato fondamentale ma vengano eccitati termicamente; questi atomi eccitati si sottraggono pertanto alla determinazione analitica in quanto non sono più in grado di assorbire la radiazione specifica per gli atomi di quella specie, allo stato fondamentale. Ad una certa temperatura infatti, il rapporto tra il numero degli atomi eccitati N* e quello degli atomi allo stato fondamentale N 0 presenti in un dato vapore atomico è dato da: * 0 * E E N A e N = k T 2

3 A = costante caratteristica della specie chimica in esame E *,E = energiecorrispondenti ai due stati di energia (fondamentale ed eccitato) k = costante di Boltzman 3

4 Tuttavia alle temperature di fiamma normalmente impiegate in questa tecnica (< 3000K ), il rapporto tra il numero degli atomi eccitati e quello degli atomi presenti allo stato fondamentale è estremamente basso (anche per gli stessi metalli alcalini) e quindi la presenza di pochi atomi eccitati, risulta praticamente ininfluente ai fini della determinazione quantitativa dei vari elementi. Per quanto riguarda questi aspetti,l intensità della luce trasmessa attraverso un vapore atomico di spessore b, segue una legge esponenziale analoga a quella di Lambert-Beer valida per gli assorbimenti molecolari dei cromofori nello stato di soluzione: I I e k = b c 0 dove I = intensità della radiazione in uscita da un vapore atomico I 0 = intensità della radiazione in entrata al vapore atomico k = coefficiente di assorbimento atomico, specifico per una certa riga di risonanza Passando ai logaritmi e definendo anche in questo caso assorbanza il log I /I 0, si ha: I0 A = log = log e k b c = K b c I Pertanto, analogamente alle leggi ricavate per l assorbimento molecolare della luce da parte di cromofori in soluzione, l assorbanza di un vapore atomico risulta proporzionale allo spessore dello stesso e al numero di atomi di una specie, non eccitati, presenti in esso (e quindi, alla concentrazione dell analita) Apparecchiature ed aspetti strumentali Uno spettrofotometro di A.A. è costituito dalle seguenti parti fondamentali: una sorgente non continua di radiazioni monocromatiche un sistema di atomizzazione (fiamma o altri sistemi senza fiamma) per la creazione del vapore atomico un monocromatore un rivelatore un sistema elettronico per l elaborazione del segnale elettrico, integrazione dello stesso, indicazione dei valori su display e registrazione 4

5 Un esempio di schema ottico di principio di uno spettrofotometro di A.A. a doppio raggio, è il seguente (Fig. 3): 1. torretta porta-lampade (a 4 posti) 2. specchio beam-splitter che riflette il 50% delle radiazioni e trasmette il restante 50% 3. atomizzatore-bruciatore con camera di premiscelazione 4. specchi vari (piani e toroidali) 5. chopper per sdoppiamento raggi nel tempo 6. monocromatore ad alta risoluzione (b.p. 0,02-2nm) 7. rivelatore (fotomoltiplicatore) 8. sistema di elaborazione, integrazione, conversione del segnale 9. monitor e/o display 10. registratore del segnale Fig. 3 - Schema di principio di uno spettrofotometro di AA a doppio raggio 5

6 Il principio secondo cui lavora uno spettrofotometro di assorbimento atomico, può essere così schematizzato (Fig. 4): La sorgente (HCL) emette uno spettro di righe dell analita (RR = riga di risonanza dell analita) Il vapore atomico contenente l analita assorbe una certa percentuale di radiazioni in corrispondenza della riga analitica Lo spettro di emissione della lampada,dopo il passaggio in fiamma,risulta diminuito di intensità in corrispondenza della riga di risonanza Il monocromatore centrato sulla riga di risonanza,elimina le altre righe dello spettro di emissione della lampada Al rivelatore arriva solo la radiazione della riga di risonanza proveniente dalla sorgente ma attenuata dopo il passaggio in fiamma. Nell istante successivo però,in seguito alla rotazione del chopper,arriva al rivelatore la riga di risonanza ad intensità piena. Il logaritmo del rapporto tra l intensità della radiazione proveniente dalla lampada, che non ha subito assorbimenti e quella che invece è passata attraverso il vapore atomico,effettuato dallo strumento,ci fornisce il valore dell assorbanza dovuta all analita presente in soluzione I motivi per cui occorre usare come sorgente di radiazioni monocromatiche le righe di emissione della stessa specie chimica che poi,allo stato di vapore atomico in fiamma,darà origine all assorbimento, sono i seguenti: una sorgente continua di radiazioni,anche se viene monocromata utilizzando un monocromatore ad altissima risoluzione,dà luogo ad una banda passante di 0,1 nm ( prestazione limite,attualmente, di un monocromatore) la banda di assorbimento atomico di un elemento ha un ampiezza media di nm la zona di spettro interessata al fenomeno dell assorbimento atomico risulta pertanto estremamente ridotta rispetto all ampiezza della banda passante del monocromatore nessun rivelatore riesce ad apprezzare le differenze tra l intensità del raggio proveniente dal monocromatore in assenza di AA e quella ottenuta in presenza di AA 6

7 La spettrofotometria di AA opera nel VIS e nell UV,fino a lunghezze d onda di circa nm. Al di sotto di queste lunghezze d onda non è possibile operare a causa dell assorbimento di radiazioni da parte dell aria. I normali limiti operativi sono pertanto costituiti dalle righe del Se (196,1 nm) e As (193,7) Solo con particolari accorgimenti si può scendere fino alle righe di risonanza dello iodio e dello zolfo. Con questa tecnica di analisi quantitativa si possono oggi determinare oltre 50 elementi presenti sotto forma di qualsiasi composto. a) Sorgenti Sono costituite dalle lampade a catodo cavo HCL (Hollow Cathode Lamp). Uno schema di una generica lampada a catodo cavo è riportato in Fig catodo cavo 2. anodo 3. finestra di vetro ottico o di quarzo Il catodo è costituito da un bicchierino aperto,costruito con il particolare metallo o con una sua lega oppure da un bicchierino di materiale diverso, ricoperto però da uno strato superficiale depositato, dell elemento o di un suo composto. All interno della lampada è contenuto un gas inerte (Ar o Ne); applicando agli elettrodi una tensione sufficiente a ionizzare il gas inerte (corrente da 1 a 50 ma) gli ioni positivi di quest ultimo vengono accelerati e colpiscono il catodo che espelle atomi dell elemento. Alcuni atomi di questo vengono eccitati attraverso una serie di collisioni con altri atomi liberi; il rilassamento degli atomi eccitati avviene mediante emissione di radiazioni elettromagnetiche costituenti lo spettro di righe dell elemento,unitamente a quello del gas inerte. Vi sono in commercio lampade monoelemento e lampade multielemento; in queste ultime il catodo cavo contiene sulla sua superficie strati di più elementi tra loro compatibili nel senso che le rispettive righe di risonanza non devono creare sovrapposizioni spettrali. Esistono anche altre lampade dette a radio frequenza: in esse l eccitazione degli atomi di un certo elemento, contenuto all interno di un ampolla di quarzo sigillata, è prodotta da una bobina che la circonda, percorsa da correnti ad alta frequenza. b) Nebulizzatori-bruciatori Il sistema costituito dal nebulizzatore, dalla camera di premiscelazione e dalla testata del bruciatore è uno dei componenti più importanti dello spettrofotometro. Uno schema semplificato di un nebulizzatore con camera di premiscelazione, è riportato in figura 6. 7

8 Fig Camera a premiscelazione 2. Eiettore per aspirazione del campione e formazione aerosol 3. Flusso di aria per l eiettore 4. Tubo alimentazione combustibile 5. Tubo alimentazione aria compressa (comburente) 6. Testata del bruciatore con fenditura per fiamma laminare 7. Percorso a chiocciola per abbattimento delle gocce più pesanti 8. Tubo di drenaggio per l eliminazione del surplus di soluzione Il campione viene aspirato attraverso un capillare mediante un flusso di aria compressa che passa attraverso l eiettore creando una depressione; esso viene quindi nebulizzato all interno di una camera di premiscelazione. Qui l aerosol formato da goccioline minutissime (Φ da 5 a 20 µm) si miscela con altra aria compressa e con il gas combustibile. L aerosol formatosi compie un percorso a chiocciola per favorire l abbattimento delle gocce di soluzioni più pesanti. Solo una parte della soluzione aspirata esce quindi dalla fenditura del bruciatore e va in fiamma; il grosso della soluzione fuoriesce attraverso un tubo di drenaggio. c) Fiamme Le fiamme più comunemente utilizzate,le loro temperature medie e i relativi impieghi, sono riportati nella Tabella seguente (Tab. 1) : Fiamma Aria-acetilene Aria-idrogeno N 2 O-acetilene Temperatura media (C ) Impieghi Fiamma di uso quasi generale (dai metalli alcalini agli alcalino-terrosi,ad Ag,Fe,Cu,Zn,Ni,Co,Cr,Mn,Pb, ecc.) E una fiamma relativamente più fredda e quindi è più adatta per i metalli alcalini per i quali ci sono rischi di ionizzazione E la fiamma più calda e quindi si usa per elementi capaci di dare in presenza di ossigeno,ossidi refrattari,difficilmente atomizzabili (Ba,Al,Si,Sn,V,Ti) Aria-idrogeno/argon 800 E una fiamma fredda ; diminuendo la quantità di aria miscelata con l argon, si abbassa ancora di più. Viene usata nelle zone iniziali dell UV perchè è una fiamma che presenta un basso fondo spettrale a quelle lunghezze d onda ( nm) d) Monocromatori e rivelatori 8

9 Si usano monocromatori basati su reticoli di riflessione ad alta risoluzione. Per quanto riguarda i rivelatori,si usano generalmente fotomoltiplicatori ad alto guadagno Sistemi di A.A. senza fiamma ed apparecchiature per usi particolari Oltre alla normale tecnica dell A.A. in fiamma,esistono altre tecniche particolari. Di esse, alcune utilizzano sempre la fiamma come sistema di atomizzazione ma adottano alcuni accorgimenti particolari; altre invece non utilizzano la fiamma. a) Sistemi di A.A. in fiamma modificati Nel sistema di atomizzazione che usa la camera di premiscelazione solo una minima parte della soluzione aspirata finisce nella fiamma e viene atomizzata. Sono state messe a punto perciò altre tecniche che utilizzano la fiamma come fonte di atomizzazione, ma con alcune modifiche che apportano dei miglioramenti alla tecnica di base. Nel sistema a navicella di tantalio per esempio, il campione (frazioni di ml) viene messo in una navicella e avvicinato alla fiamma con un sistema di avanzamento meccanico; in questo modo si ottiene l essiccamento della soluzione con una lenta evaporazione del solvente. Quando rimane il solo residuo,la navicella viene spinta sulla fiamma per l atomizzazione dell analita. Il cammino ottico del raggio proveniente dalla lampada a catodo cavo passa poco al di sopra della navicella,nella zona cioè del vapore atomico, e perviene al rivelatore. Naturalmente occorre effettuare la registrazione del segnale,che si presenta come un picco [A=f (tempo)] dovuto all assorbimento della radiazione, durante i pochi secondi di esistenza del vapore atomico transitorio, nel campo ottico del raggio luminoso. Il sistema a coppetta di nichel è analogo al precedente ma il vapore atomico che si forma,viene convogliato dentro un tubo di quarzo posto sopra la coppetta ed esce dalle due estremità; il tubo di quarzo è naturalmente attraversato longitudinalmente dal raggio luminoso proveniente dalla lampada. L aumento di sensibilità di questo sistema gli deriva dal fatto che il vapore atomico viene confinato entro uno spazio ristretto e quindi aumentano i valori di assorbanza e soprattutto il tempo utile per effettuare la misura. b) Sistema a vapori freddi per l analisi del mercurio In questo sistema che non usa nessuna forma di riscaldamento per la formazione del vapore atomico,la soluzione del campione viene messa in una bottiglia chiusa collegata ad un tubo di vetro chiuso alle due estremità con due finestre. Gli ioni Hg 2+ presenti in soluzione, vengono prima ridotti a Hg metallico aggiungendo nella bottiglia un forte riducente (NaBH 4 ). Il mercurio atomico (liquido) a temperatura ambiente ha una sua tensione di vapore e gli atomi, presenti già come vapore atomico, vengono convogliati insieme al vapor d acqua, dentro il tubo di vetro di misura posto sul cammino ottico della radiazione luminosa proveniente dalla sorgente, mediante una corrente di aria compressa che attraversa la bottiglia. Il vapor d acqua viene bloccato da una trappola disidratante, prima che la corrente di aria con i vapori di Hg arrivi all interno del tubo di misura. All uscita di quest ultimo,una seconda trappola, depura l aria dai vapori di Hg per impedire una loro diffusione nell ambiente. Nella Fig. 7 si riporta uno schema semplificato del sistema descritto. 9

10 1. sorgente di radiazioni monocromatiche (HCL) 2. tubo di misura 3. rivelatore 4. trappola disidratante 5. trappola per la cattura di vapori di Hg in uscita Fig. 7 c) Sistema idrurizzante E un sistema utilizzato per il dosaggio di quegli elementi capaci di dare idruri volatili (As,Se,Te,Bi,Sb,Ge). La trasformazione di questi elementi in idruri volatili viene realizzata con un sistema analogo al precedente (bottiglia sigillata),aggiungendo dall esterno,alla soluzione che li contiene,un riducente energico come NaBH 4. La corrente gassosa che convoglia gli idruri volatili non può essere in questo caso,per ovvi motivi, aria compressa, ma un gas inerte. Il flusso di gas inerte,idruri e vapor d acqua dopo un passaggio attraverso una trappola disidratante,viene inviato ad un sistema di atomizzazione (gli idruri infatti devono essere atomizzati per riottenere gli elementi liberi) che può essere costituito da: fiamma aria-argon/idrogeno che presenta un fondo spettrale pulito nelle prime zone UV ( nm) tubo di quarzo entro cui si convoglia il flusso gassoso,posto sul cammino ottico della radiazione e riscaldato esternamente mediante una resistenza elettrica,per garantire il processo di atomizzazione d) Fornetto di grafite Questo sistema consente di migliorare di molto i limiti di rivelabilità (vedi significato di questo parametro nei paragrafi seguenti) della tecnica di A.A. rispetto al sistema convenzionale su fiamma (da 100 a 1000 volte). Nella tecnica di A.A. su fiamma infatti, durante la fase di assorbimento,ci sono in fiamma anche il solvente,i componenti della matrice e i loro prodotti di pirolisi. Nella tecnica a fornetto di grafite invece,poichè la fase di atomizzazione viene preceduta dall evaporazione del solvente, dall incenerimento e pirolisi 10

11 dei componenti la matrice,le diverse cause di disturbo vengono eliminate preventivamente con diminuzione delle interferenze. Inoltre l efficienza della conversione delle molecole in atomi è decisamente più alta che non in fiamma e la tecnica di atomizzazione convenzionale richiede volumi di soluzione molto più alti per ogni analisi; con il fornetto bastano invece pochi µl di campione. Il fornetto è costituito in pratica da un tubicino di grafite (Φ 5-6 mm e lunghezza circa 5 cm) pirolitica che, inserito in un circuito elettrico, costituisce esso stesso una resistenza. Questa, attraversata da una corrente elettrica, si riscalda a temperatura programmata potendo arrivare fino a 3000 C. In Fig. 8 è schematizzata la parte centrale del fornetto (semplificato). Fig tubicino di grafite pirolitica 2. tubo per l immissione del flusso di gas inerte 3. apertura per l iniezione del campione con microsiringa e per la fuoriuscita del flusso di gas inerte e del vapore atomico 4. finestre di chiusura della zona di misura in quarzo allineate sul cammino ottico della radiazione 5. campione iniettato Il tubicino di grafite ha un foro centrale attraverso cui si può inserire un ago di una microsiringa per l iniezione del campione e può fuoriuscire il flusso di gas inerte e il vapore atomico. Il ciclo di riscaldamento elettrico del fornetto è programmabile e si articola in tre fasi (Fig. 9): 1. riscaldamento a circa 100 C per l essiccamento del campione (evaporazione del solvente) 2. incenerimento e pirolisi del residuo a C (per complessi metallorganici e matrici complesse contenenti sostanze organiche) 3. atomizzazione del residuo a 3000 per un tempo brevissimo Il vapore atomico è quindi transitorio e rimane confinato nel piccolissimo volume interno del tubicino di grafite per il brevissimo tempo occorrente perchè il flusso di argon lo espella all esterno. Solo durante questa fase si verifica l assorbimento della radiazione e il registratore provvede a disegnare il picco relativo [A=f (t)] la cui area, ottenuta per integrazione del picco stesso,è proporzionale alla quantità di analita cercato. Per ottenere una buona riproducibilità delle misure è consigliabile usare un autocampionatore. Risultati analitici migliori, si ottengono inoltre depositando il campione anzichè direttamente sulla parete di fondo del tubicino di grafite, che è naturalmente più calda e presenta il rischio che al centro del tubicino (zona più fredda) si possano avere delle ricombinazioni tra atomi e residui 11

12 Fig. 9 della matrice vaporizzata, su una lamina di grafite (piattaforma di L vov). 12

13 Il campione posto sulla lamina,viene prima essiccato; la lamina viene quindi inserita all interno del del tubicino di grafite solo quando questo ha raggiunto la temperatura necessaria per l atomizzazione. Un altro sistema (UNICAM) usa il meccanismo di introduzione del campione e di atomizzazione,semplificato nello schema di Fig Il campione viene iniettato dal foro superiore del fornetto con una microsiringa, sulla sonda automatica 2. Il campione viene essiccato e incenerito sulla sonda a temperature programmate 3. La sonda viene tirata fuori dal tubicino mentre parte il programma di preriscaldamento del tubicino di grafite, per portarlo alla temperatura di atomizzazione 4. La sonda viene reinserita nel tubicino caldo; si effettua quindi la misura dell assorbimento che viene registrato dal registratore Fig

14 2.2.4 Interferenze, disturbo di fondo e sistemi di correzione Le misure in A.A. sono affette da interferenze di diverso tipo. In prima approssimazione si può dire che sistemi di atomizzazione meno caldi,comportano maggiori interferenze perchè non riescono a fornire atomizzazioni soddisfacenti. a) Interferenze spettrali Interferenze spettrali atomiche sono piuttosto rare anche se possibili. Si verificano nei casi in cui nel vapore atomico sono presenti anche atomi di altri elementi diversi dall analita,che possono presentare righe di assorbimento poste nelle immediate vicinanze della riga di risonanza dell analita. Considerando però che l ampiezza di banda della riga di risonanza della sorgente è molto piccola (mediamente dell ordine di 0,002 nm) è molto difficile che si possa registrare un aumento di assorbanza dovuto all altro elemento interferente. Interferenze spettrali di assorbimento molecolare, anche se non comuni, si possono tuttavia presentare. Esse sono dovute ad assorbimenti da parte di specie molecolari, radicali, sali presenti in fiamma, non completamente atomizzati. Queste specie sono responsabili di assorbimenti non specifici nelle vicinanze della riga di risonanza di un certo analita. Usando fiamme più calde che danno una migliore atomizzazione, queste interferenze si riducono notevolmente. Inoltre in fiamma possono trovarsi delle particelle solide o gocce di dimensioni più grandi presenti nell aerosol e non perfettamente vaporizzate. Queste particelle possono funzionare come microspecchi che diffondono in parte la luce proveniente dalla sorgente in altre direzioni, simulando un maggior assorbimento da parte del campione. Assorbimenti di radiazioni da parte di specie molecolari e diminuzioni di intensità dovuti a fenomeni di diffusione,sono definiti assorbimenti a banda larga in quanto presentano valori quasi costanti in un intorno piuttosto ampio della riga di risonanza (tali intorni hanno ampiezze dell ordine di alcuni nanometri o alcune bande passanti). Questi assorbimenti non specifici vengono meglio indicati con il termine di disturbo di fondo. Per ottenere risultati analitici accurati occorre quindi correggere le misure da questi disturbi di fondo. I dispositivi di correzione più usati,implementati nei moderni spettrofotometri di A.A., sono essenzialmente due : sistema a lampada al deuterio (sorgente continua) sistema basato sull effetto Zeeman Il primo sistema,schematizzato in Fig. 11, consiste in una sorgente continua al deuterio posta a 90 rispetto alla lampada a catodo cavo (sorgente). I raggi provenienti dalle due lampade vengono allineate sullo stesso percorso ottico da uno specchio semiriflettente; ad esse vengono applicati impulsi elettronici in modo che le radiazioni delle due lampade giungano alternativamente al rivelatore dopo essere passate (entrambe) attraverso la fiamma. Il rivelatore è strutturato in modo da misurare le differenze tra i segnali che gli provengono alternativamente dalle due lampade e che inizialmente sono bilanciati. Quando passa in fiamma la radiazione proveniente dalla lampada a catodo cavo, si registra un segnale attenuato dovuto all assorbimento sia da parte dell analita che del disturbo di fondo; quando passa la radiazione della sorgente continua al deuterio,si 14

15 misura l assorbimento dovuto al solo disturbo di fondo in quanto l assorbimento dovuto alla riga di risonanza dell analita rappresenta un aliquota del tutto trascurabile della sua banda passante di radiazioni. Fig lampada a catodo cavo HCL (sorgente) 2. lampada al deuterio (sorgente continua) 3. specchio semiriflettente per l allineamento delle radiazioni provenienti dalle due lampade 4. testata del bruciatore-atomizzatore (vista dall alto) 5. sistema di monocrmatura 6. rivelatore (fotomoltiplicatore) Il metodo Zeeman (cui si accenna solo brevemente) si basa sull omonimo effetto che si verifica quando atomi di un certo elemento vengono sottoposti ad un campo magnetico di notevole intensità. Il principio,in breve è il seguente : la radiazione corrispondente alla riga di risonanza proveniente dalla lampada HCL viene polarizzata mentre la zona del campione (vapore atomico) viene sottoposta ad un intenso campo magnetico pulsante. Quando il campo magnetico è assente,il rivelatore misura l assorbimento dovuto sia all analita che al disturbo di fondo. Quando invece è applicato il campo magnetico,il rivelatore misura l assorbimento dovuto al solo disturbo di fondo perchè il piano di vibrazione della radiazione polarizzata monocromatica proveniente dalla lampada HCL è a 90 rispetto a quello di vibrazione della riga di assorbimento del campione. La differenza tra i due segnali in arrivo al rivelatore nei due casi,fornisce l assorbimento netto dovuto al solo analita. Il vantaggio principale di questo secondo sistema di correzione è quello di poter operare in tutto il campo di azione dello strumento (UV-VIS) e non nel solo UV come il sistema a sorgente continua. b) Interferenze fisiche Sono interferenze causate dalle differenze che talvolta esistono tra le soluzioni standard usate per la costruzione delle rette di taratura e la soluzione dell analita. Si tratta di differenze riguardanti proprietà fisiche come la viscosità,la tensione di vapore, la tensione superficiale. Queste differenze creano problemi in fase di aspirazione e di formazione delle microgocce dell aerosol con conseguenti differenze nei valori di assorbanza misurati, a parità di concentrazione dell analita. Si può ovviare a queste interferenze,facendo in modo che le soluzioni standard abbiano una composizione molto simile a quella del campione oppure adottando per le misure, solo il metodo quantitativo delle aggiunte multiple di standard. 15

16 c) Interferenze chimiche Consistono nelle reazioni che possono avvenire in fiamma tra l analita e altri elementi o tra l analita ed anioni particolari presenti nella soluzione, con formazione di composti più difficilmente atomizzabili. Queste interferenze possono essere minimizzate aggiungendo alla soluzione da analizzare un altro reagente che ha la funzione di competere con l analita per la formazione di un composto con l agente interferente. Questo reagente competitivo deve essere aggiunto, oltre che alla soluzione campione,anche nelle soluzioni standard per evitare di creare delle differenze fisiche tra esse e quindi differenze di atomizzazione e di assorbimento,a parità di concentrazione dell analita. d) Interferenze da ionizzazione Quando si analizzano metalli alcalini o alcalino-terrosi aventi quindi bassi valori dei potenziali di ionizzazione,accade che una parte degli atomi di questi elementi si ionizzino, facendo diminuire il numero degli atomi presenti allo stato fondamentale che sono quelli capaci di assorbire la radiazione. Per ridurre il fenomeno della ionizzazione, o si usano fiamme più fredde, oppure si aggiungono alle soluzioni da esaminare, grossi quantitativi di un altro elemento (metallo alcalino) più facilmente ionizzabile rispetto all analita. L elemento aggiunto a concentrazioni elevate,ha maggiori probabilità di ionizzarsi e quindi gli elettroni rilasciati da questo, retrogradano la ionizzazione dell analita Prestazioni e analisi quantitativa in A.A. Le prestazioni fornite da uno spettrofotometro o da una metodica in A.A., vengono valutate in base a due parametri : sensibilità limite di rivelabilità Si definisce sensibilità ad una data lunghezza d onda, la concentrazione di un certo analita capace di provocare una diminuzione della T% dell 1% rispetto al bianco (cioè dal 100% di T% del bianco, al 99% di una soluzione dell analita). Poichè al 99% di T% corrisponde un valore di assorbanza A=0,0044, la sensibilità può essere definita numericamente come quella concentrazione di un certo analita che, alla lunghezza d onda della riga di risonanza, dà un assorbanza A=0,0044. Si dice invece limite di rivelabilità la concentrazione di un certo analita,capace di dare origine ad un segnale elettrico (minimo accettabile per la rivelazione di quel dato elemento) di intensità almeno doppia rispetto al rumore di fondo del registratore (cioè le oscillazioni casuali del tracciato del registratore, in assenza di vapori atomici assorbenti). Il rumore di fondo può essere assunto uguale alla deviazione standard (vedi capitolo Elaborazione dati analitici ) dei valori registrati nel tempo dal rivelatore. Per quanto riguarda l analisi quantitativa in A.A., essa si effettua utilizzando in genere i seguenti metodi: metodo della retta di taratura metodo delle aggiunte multiple di standard 16

17 a) Metodo della retta di taratura Uno spettrofotometro di A.A. può fornire le misure in unità di assorbanza e in unità di concentrazione. Se si opta per la prima ipotesi (unità di assorbanza A), la procedura è la seguente: si prepara una serie di soluzioni standard dell analita le cui concentrazioni rientrano nell intervallo di linearità della funzione A=f(c), intervalli che si trovano di solito tabulati nei manuali d istruzione degli spettrofotometri si aspira in fiamma il bianco e si azzera la scala delle assorbanze (A= 0,000) si mandano in fiamma via via le diverse soluzioni standard registrando i valori di assorbanza si costruisce la retta di taratura ottimizzando i punti sperimentali con il metodo matematico dei minimi quadrati (vedi capitolo Elaborazione dati analitici ) si manda in lettura il campione e si risale alla concentrazione incognita tramite la retta di taratura Scegliendo invece la seconda ipotesi (unità di concentrazione c),la procedura è la seguente: si sceglie tra i mode operativi dello strumento,quello in unità di concentrazione si aspira il bianco in fiamma e si azzera lo strumento si effettua la calibrazione dello stesso mandando in misura 2-3 soluzioni standard e impostando sulla tastiera le concentrazioni rispettive. In questo modo lo spettrofotometro calcola, dai valori misurati di assorbanza e da quelli di concentrazione forniti dall operatore, i valori di assorbività e ne trae un valore medio (coefficiente angolare della retta di taratura) si manda in misura il campione incognito; si leggerà sul display o sul tracciato registrato [A= f (tempo)] direttamente il valore di concentrazione cercato b) Metodo delle aggiunte multiple di standard Questo metodo è senz altro da preferirsi soprattutto quando l analita è presente in piccole quantità all interno di una matrice complessa (soluzione contenente molti altri composti, di diversa natura, impurezze varie, solventi di attacco del campione, soluzioni tampone, reagenti aggiunti per l eliminazione di eventuali interferenze ecc.). Per quanto concerne la procedura da applicare, si può dire che essa è uguale a quella normalmente applicata nei metodi quantitativi di assorbimento molecolare UV-VIS (vedi capitolo Assorbimento UV-VIS ). C è solo da aggiungere che il metodo delle aggiunte può essere attuato anche effettuando le misure in unità di concentrazione anzichè in unità di assorbanza. In questo caso non c è bisogno di costruire materialmente la retta. La procedura è la seguente: si sceglie tra i mode operativi dello strumento,quello in unità di concentrazione si mette uno stesso volume di soluzione incognita dell analita in 2-3 matracci tarati aventi lo stesso volume 17

18 si porta a volume uno dei due matracci con acqua deionizzata e si manda in misura azzerando il display con la soluzione incognita dell analita (si impone cioè la condizione c= 0,000) si aggiungono agli altri due matracci tarati, delle quantità note di una soluzione standard dell analita e si portano a volume con acqua si mandano in misura queste due soluzioni impostando sul display,di volta in volta,i valori calcolati delle concentrazioni delle soluzioni misurate, relative alle sole aggiunte si manda infine in misura il bianco ; sul display si leggerà direttamente la concentrazione incognita dell analita, preceduta dal segno negativo Per quanto riguarda gli standard primari da utilizzare per la costruzione di rette di taratura o per effettuare le aggiunte, sono oggi reperibili in commercio soluzioni standard concentrate (1000 ppm) di tutti gli elementi determinabili con la tecnica dell A.A.. Questi standard concentrati vengono preparati o attaccando elementi purissimi con soluzioni acide o alcaline, oppure solubilizzando composti purissimi dei diversi elementi, in ambiente acido o basico. Occorre dire ancora che l efficienza dell atomizzazione in fiamma viene migliorata con l impiego di solventi organici. Essi migliorano infatti sia i processi di aspirazione e formazione degli aerosol sia la combustione della fiamma, incrementando inoltre la velocità di evaporazione del solvente. Oltre a questi vantaggi, i solventi organici offrono anche la possibilità di arricchimento delle concentrazioni dell analita prima che questo venga sottoposto ad analisi. L analita infatti può essere complessato in seno alla matrice che lo contiene usando agenti complessanti diversi (per esempio ammonio pirrolidin carboditioato APCD, EDTA, etc.) quindi estratto con solventi organici come metil isobutil chetone (MIBK). Sono diversi ed evidenti i vantaggi di questa metodica: l analita viene anzitutto allontanato dalla sua matrice, a volte molto complessa, con eliminazione di molte interferenze l analita viene a trovarsi disciolto allo stato di complesso, in un solvente organico puro che ne migliora l atomizzazione l analita presente per esempio a livello di tracce in un grosso volume di soluzione acquosa (1-2 litri), subisce un arricchimento perchè può essere complessato ed estratto con un solvente organico; tale soluzione può essere facilmente concentrata e così tutto l analita inizialmente disperso in un grosso volume, verrà a trovarsi concentrato in un piccolo volume Applicazioni della A.A.S. all analisi ambientale La tecnica della spettrofotometria di A.A. riveste un ruolo determinante nel campo dell analisi ambientale. Essa consente infatti di: determinare circa 60 elementi (avendo naturalmente a disposizione le relative lampade a catodo cavo) presenti in matrici complesse di vario genere (inorganiche ed organiche); tra questi elementi assumono importanza quelli che sono considerati i principali inquinanti citati nelle varie leggi riguardanti il controllo delle acque, dell aria, del suolo 18

19 determinare gli elementi dotati di elevata tossicità a livello di tracce. I limiti di rivelabilità delle determinazioni con fornetto di grafite, riportati nei manuali specializzati sono, per alcuni di essi i seguenti: Hg 0,5-2 µg/l; Pb 0,01-0,05 µg/l; Cd 0,5-3 µg/l; Se 0,05-0,5 µg/l determinare questi elementi qualunque sia il loro stato di ossidazione e il composto che li contiene determinarli secondo metodiche relativamente semplici Gli elementi contenuti allo stato di complessi metallorganici in matrici anche molto complesse prima di essere determinati,vanno sottoposti a processi di distruzione a umido (attacco acido con H 2 SO 4 conc.,hno 3 conc. o HClO 4 ) oppure a secco (incenerimento o altri sistemi). Dopo questi pretrattamenti si riprendono i residui con acidi diluiti e si aspirano direttamente in fiamma o si iniettano nel fornetto di grafite. Più in particolare,i principali impieghi della tecnica di A.A. nell analisi ambientale sono: determinazione di elementi (metalli pesanti e altri) in diversi tipi di acque (destinate all alimentazione umana, di mare, reflue civili e industriali) determinazione di metalli tossici nei liquidi biologici umani (sangue, siero, plasma, urine) determinazione di tracce di inquinanti tossici negli alimenti determinazione dei metalli pesanti e altri elementi nei percolati da discarica determinazione dei metalli pesanti tossici presenti nel materiale particellare dell aria e nelle emissioni (Pb,Cd ecc.) determinazione dei metalli pesanti nei compost da RSU per il loro utilizzo in agricoltura 19