University of Messina, Italy

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1 28 SPETTROSCOPIA ATOMICA 1

2 Spettroscopia atomica La spettroscopia atomica viene applicata per la determinazione qualitativa e quantitativa di circa 70 elementi. La sensibilità dei metodi atomici va da parti per milione a parti per miliardo. 2

3 Caratteristiche della spettroscopia atomica velocità convenienza elevata selettività costi moderati della strumentazione 3

4 Spettroscopia atomica Il primo stadio in tutti i processi di spettroscopia atomica è l atomizzazione; processo mediante il quale il composto viene volatilizzato e decomposto per dare un gas atomico. 4

5 Spettroscopia atomica L efficienza e la riproducibilità dello stadio di atomizzazione determina in larga misura sensibilità, precisione ed accuratezza del metodo. L atomizzazione è quindi di gran lunga lo stadio più critico della spettroscopia atomica. 5

6 Spettroscopia atomica Esistono diversi metodi di atomizzazione dei campioni: atomizzazione con fiamma atomizzazione elettrotermica atomizzazione a plasma ad accoppiamento induttivo atomizzazione a plasma a corrente continua 6

7 Spettroscopia atomica 7

8 Spettroscopia atomica E importante sottolineare che i campioni che subiscono atomizzazione di fiamma originano spettri di assorbimento atomico, di emissione e di fluorescenza che sono molto più semplici dei corrispondenti spettri molecolari per la mancanza degli stati di vibrazione e rotazione. Ciò significa che si hanno solo transizioni elettroniche. 8

9 Spettri di emissione L energia viene di solito fornita mediante un plasma, una fiamma, una scarica a bassa pressione o un laser ad elevata potenz. Qui a fianco viene riportato un diagramma parziale dei livelli di energia per il Na atomico nel quale vengono evidenziate tre delle sue più importanti linee di emissione. Queste linee vengono generate dal riscaldamento in fiamma del Na allo stato gassoso a temperature di 2000 C e 3000 C. 9

10 Spettri di assorbimento In basso vengono riportati rispettivamente lo spettro parziale di assorbimento del Na allo stato vapore e le transizioni elettroniche responsabili delle stesse linee di assorbimento. Gli spettri di assorbimento ed emissione del Na sono relativamente semplici (presentano circa 40 picchi). Per elementi che posseggono diversi elettroni esterni eccitabili, gli spettri possono risultare molto complessi. 10

11 Litio 11

12 Larghezza delle linee spettrali L ampiezza naturale delle linee di assorbimento o emissione atomica è dell ordine di 10-5 nm. Esistono due effetti che tendono ad allargare le righe di un fattore 100 o anche più: l allargamento Doppler l allargamento di pressione 12

13 Allargamento Doppler L allargamento Doppler è dovuto al movimento rapido degli atomi che emettono radiazioni. La lunghezza d onda della radiazione ricevuta dal rivelatore è leggermente più piccola quando l emettitore si muove verso il rivelatore e leggermente più grande quando invece si allontana dal rivelatore. 13

14 Allargamento Doppler Figura (a): l atomo si muove verso il rivelatore di fotoni ed emette radiazioni. Il rivelatore vede con maggiore frequenza le creste d onda e rivela radiazioni a più alta frequenza. Figura (b): l atomo si allontana dal rivelatore di fotoni ed emette radiazioni. Il rivelatore vede con minore frequenza le creste d onda e quindi rivela radiazioni a più bassa frequenza. 14

15 Allargamento di pressione L allargamento di pressione è dovuto alle collisioni tra atomi che comportano una leggera variazione nelle energie dello stato fondamentale e quindi determinano piccole differenze energetiche tra gli stati fondamentali e quelli eccitati. Sia l allargamento Doppler che l allargamento di pressione aumentano all aumentare della temperatura. 15

16 Spettri di Massa Nella spettrometria di Massa Atomica è desiderabile che il campione venga convertito in ioni in fase gassosa. Con le sorgenti di atomizzazione energetiche come i plasmi, una frazione sostanziale degli atomi prodotti viene ionizzata, di solito come ioni positivi con una sola carica. GLI IONI CON MASSE ATOMICHE DIFFERENTI VENGONO QUINDI SEPARATI IN UNO STRUMENTO CHIAMATO ANALIZZATORE DI MASSA per produrre lo spettro di massa. La separazione avviene sulla base del rapporto massa/carica. 16

17 Produzione di atomi e ioni In tutte le tecniche spettroscopiche atomiche, è necessario atomizzare il campione in atomi e ioni in fase gassosa. ATOMIZZATORI CONTINUI (plasmi e fiamme) ATOMIZZATORI DISCRETI (elettrotermico) 17

18 Nebulizzazione Il nebulizzatore introduce in maniera continua il campione sottoforma di spray di piccole goccioline chiamato aerosol. Con l introduzione continua del campione in una fiamma o in un plasma si ha una popolazione costante di atomi, di molecole e di ioni. Campioni di soluzione discreti vengono introdotti trasferendo un aliquota di campione all atomizzatore. I campioni solidi possono essere introdotti nei plasmi vaporizzandoli con una scintilla elettrica o con un raggio laser (ablazione laser) con Nd:YAG (granato di neodimio ittrio alluminio a 1064 nm) 18

19 Metodi di emissione atomica basati su sorgenti a plasma L atomizzazione in plasma è impiegata sia per la spettroscopia di emissione termica sia per la spettroscopia di fluorescenza. Esistono due tipi di sorgeni a plasma: sorgente a plasma ad accoppiamento induttivo sorgente a plasma ad argon a corrente continua 19

20 Sorgenti a plasma Per definizione un plasma è una miscela gassosa conduttrice, contenente una notevole concentrazione di cationi ed elettroni. Nel plasma ad argon gli ioni argon e gli elettroni sono le principali specie conduttrici. Gli ioni argon, una volta formati nel plasma, sono capaci di assorbire da una sorgente esterna energia sufficiente per mantenere la temperatura ad un livello al quale un ulteriore ionizzazione sostenga il plasma indefinitivamente (10000 K). 20

21 Sorgente a plasma ad accoppiamento induttivo (ICP) E formata da tre tubi concentrici di quarzo attraverso I quali fluisce argon ad un avelocità compresa tra gli 11 e i 17 L/min. Intorno all estremità di questo tubo c é un filamento ad induzione raffreddato ad acqua ed alimentato da un generatore di radiofrequenze in grado di produrre 2 kw di energia a 27 MHz e a 40 MHz. La ionizzazione dell argon che fluisce ha inizio da una scintilla proveniente da un filamento Tesla. Gli ioni e gli elettroni così generati interagiscono con il campo magnetico fluttuante e il riscaldamento ohmico e la conseguenza della loro resistenza a questo movimento 21

22 Sorgente a plasma ad accoppiamento induttivo La temperatura del plasma è sufficientemente alta da richiedere l isolamento termico dal cilindro di quarzo. L isolamento si effettua facendo fluire l argon tangenzialmente alle pareti del tubo. Tale flusso raffredda le pareti interne del tubo centrale e serve a centrare rapidamente il plasma. 22

23 Caratteristiche degli spettri L osservazione dello spettro viene effettuata generalmente da 15 a 20 mm sopra la bobina di induzione poiché così facendo la radiazione del fondo è completamente libera dalle righe dell argon ed è molto conveniente per l analisi degli spettri. Le linee più sensibili sono quelle relative agli ioni del calcio, cadmio, cromo e manganese. 23

24 Atomizzazione e ionizzazione dell analita Il tempo di residenza nel plasma e le temperature operative sono da due a tre volte più grandi di quelli ottenibili con le fiamme più calde. Ne consegue un atomizzazione più completa e minori interferenze chimiche. 24

25 Atomizzazione e ionizzazione dell analita Le interferenze dovute alla ionizzazione sono molto piccole o addirittura inesistenti forse a causa della grande concentrazione di elettroni provenienti dalla ionizzazione dell argon che permette di mantenere una concentrazione di elettroni nel plasma più o meno costante. 25

26 Nebulizzatore per ICP Un esempio di nebulizzatore a tubi concentrici è quello riportato in basso. La soluzione viene risucchiata nel capillare da una corrente di gas ad alta pressione che fluisce intorno alla punta del capillare (effetto Bernoulli). Il processo di trasporto del liquido è detto aspirazione. 26

27 Sorgente a plasma ad argon a corrente continua Solo recentemente è stata progettata una sorgente di questo tipo in grado di produrre una riproducibilità tale da competere con sorgenti a fiamma e sorgenti al plasma ad accoppiamento induttivo. E formata da tre elettrodi disposti a Y invertita. In ciascun braccio della Y è situato un anodo di grafite, ed un catodo di tungsteno è invece situato sulla base invertita. L argon fluisce dagli anodi. Il plasma si forma quando il catodo viene portato a contatto per un istante con gli anodi. 27

28 Sorgente a plasma ad argon a corrente continua Gli spettri prodotti dal plasma a getto di corrente continuo tendono ad avere meno linee di quelle prodotte dal plasma ad accoppiamento induttivo. Le linee che si formano sono generalmente quelle degli atomi piuttosto che quelle degli ioni. 28

29 Sorgente a plasma ad argon a corrente continua Le sensibilità che si raggiungono con il plasma a getto di corrente continuo sono di circa un ordine di grandezza più basse se non uguali a quelle ottenibili con il plasma ad accoppiamento induttivo. La riproducibilità dei due sistemi è simile. 29

30 Applicazioni quantitative delle sorgenti a plasma Sia quelle ad accoppiamento induttivo sia quelle a corrente continua offrono risultati analitici quantitativi significativamente migliori rispetto alle altre sorgenti di emissione. Gli ottimi risultati derivano da: alta stabilità, basso rumore, bassa emissione di fondo e mancanza di interferenze. 30

31 Applicazioni quantitative delle sorgenti a plasma In termini di limiti di rilevabilità le prestazioni delle sorgenti a plasma ad accoppiamento induttivo sono migliori rispetto a quelle delle sorgenti a plasma a corrente continua. Le sorgenti a plasma del tipo a corrente continua sono tuttavia meno costose sia in termini di acquisto che di operatività. 31

32 Spettroscopia atomica basata sull atomizzazione con fiamma Nell atomizzazione con fiamma la soluzione dell analita (generalmente acquosa) viene dispersa o nebulizzata in piccole gocce che vengono trascinate nella fiamma dal flusso di un ossidante gassoso o combustibile. Gli spettri sono generati in questo mezzo gassoso ad alta temperatura. 32

33 Spettroscopia atomica basata sull atomizzazione con fiamma Sono tre i tipi di spettroscopia atomica basati sull atomizzazione con fiamma: spettroscopia di assorbimento atomico (AAS) spettroscopia di emissione atomica (AES) spettroscopia di fluorescenza atomica (AFS) 33

34 Atomizzatori a fiamma L atomizzatore a fiamma è composto da un nebulizzatore pneumatico che converte la soluzione del campione in una sostanza nebulizzata, o aerosol, che poi viene convogliata nel bruciatore. 34

35 Atomizzatori a fiamma Un esempio di nebulizzatore a tubi concentrici è quello riportato in basso. La soluzione viene risucchiata nel capillare da una corrente di gas ad alta pressione che fluisce intorno alla punta del capillare (effetto Bernoulli). Il processo di trasporto del liquido è detto aspirazione. 35

36 Atomizzatori a fiamma Qui viene raffigurato un tipico bruciatore commerciale a flusso laminare che utilizza un nebulizzatore a tubi concentrici. L aerosol è miscelato con il combustibile (H 2, acetilene) e fluisce (2-5 ml/min) attraverso una serie di deflettori che rimuovono tutte le goccioline eccetto le più piccole. 36

37 Atomizzatori a fiamma A causa della presenza dei deflettori la maggior parte del campione si accumula sul fondo della camera di miscelazione da dove viene drenato in un contenitore di scarico. Quindi l aerosol, il combustibile ed il comburente vengono bruciati in un bruciatore a fessura che genera una fiamma della lunghezza di 5-10 cm. 37

38 Proprietà della fiamma Nella zona primaria d i combustione si ha l evaporazione del solvente. Nella regione interzonale si formano gli atomi gassosi e gli ioni elementari (atomizzazione). In questa zona si verifica anche l eccitazione degli spettri di emissione atomica. Nella zona secondaria d i combustione prima che i prodotti dell atomizzazione si disperdano nell atmosfera avviene la loro ossidazione. 38

39 Tipi di fiamma utilizzati nella spettroscopia atomica Le temperature variano da 1700 C a 2400 C con fiamme alimentate da miscele diverse aventi come comburente l aria (solo specie facilmente eccitabili, come Na, K, Ca, ecc.). Le temperature variano dai 2500 C a 3100 C con fiamme alimentate da miscele diverse aventi come comburente l ossigeno o l ossido nitroso (per metalli pesanti). 39

40 Effetti legati alla temperatura della fiamma Le alte temperature influenzano in maniera marcata gli spettri di assorbimento e quelli di emissione poiché incrementano il numero totale di atomi nella fiamma e quindi la sensibilità. La temperatura della fiamma determina anche il numero relativo di atomi eccitati e non in una fiamma: in una fiamma alimentata ad aria/ acetilene il rapporto tra gli atomi di Mg eccitati e non eccitati è uguale a circa 10-8, mentre in una fiamma alimentata ad O 2 /acetilene, che è più calda di 700 C, questo rapporto è di circa

41 Effetti legati alla temperatura della fiamma Con una fiamma alla temperatura di 2500 C un aumento della temperatura di 10 C aumenta di circa il 3% il numero di atomi di Na allo stato eccitato 3p. Alle stesse condizioni diminuisce di circa lo 0.002% il numero di atomi di Na che ritorna allo stato fondamentale. Si evince che i metodi di emissione richiedono un controllo della temperatura della fiamma molto accurato. 41

42 Spettri di emissione in fiamma Le emissioni atomiche sono rappresentate da picchi stretti (Na a 330 nm, K a 404 nm, Ca a 423 nm). Gli spettri atomici sono chiamati spettri a righe. Sono anche evidenti bande di emissione dovute all eccitazione di alcune specie molecolari (MgOH, MgO, CaOH, OH). Transizioni vibrazionali si sovrappongono a transizioni elettroniche formando spettri a bande. 42

43 Ionizzazione nella fiamma Tutti gli elementi nella fiamma sono sottoposti ad un processo di ionizzazione che determina la presenza di atomi, ioni ed elettroni nel mezzo ad alta temperatura. Ad esempio nell atomizzazione di un campione contenente Ba nella regione interzonale della fiamma si stabilisce un equilibrio del genere: Ba Ba + + e - 43

44 Ionizzazione nella fiamma A temperature di fiamma molto elevate (>3000 K) quasi la metà del Ba risulta in forma ionica. Gli spettri di emissione ed assorbimento del Ba e Ba + sono completamente diversi l uno dall altro. Con fiamme ad alte temperature si riscontrano quindi due spettri per il bario, uno per l atomo e l altro per il suo ione. 44

45 Spettroscopia atomica con atomizzatori elettrotermici Gli atomizzatori elettrotermici, apparsi in commercio negli anni 70, offrono maggiore sensibilità poiché l intero campione viene atomizzato in un tempo brevissimo e in media il tempo di permanenza degli atomi nel cammino ottico è di circa un secondo. Vengono utilizzati per le misure di assorbimento atomico, ma non hanno trovato in genere applicazione nei lavori di emissione. 45

46 Spettroscopia atomica con atomizzatori elettrotermici Negli atomizzatori elettrotermici pochi microlitri del campione vengono prima evaporati a bassa temperatura per poi essere inceneriti ad una temperatura più alta in un tubo o vaschetta di grafite riscaldata elettricamente. 46

47 Spettroscopia atomica con atomizzatori elettrotermici Dopo l incenerimento la corrente viene rapidamante aumentata di molte centinaia di ampère, producendo un aumento di temperatura sino a 2000 C-3000 C; l atomizzazione avviene in un tempo variabile da pochi millesimi di secondo ad alcuni secondi. L assorbimento o fluorescenza delle particelle atomizzate viene monitorata nella zona immediatamente sopra la superficie riscaldata. 47

48 Esempio di atomizzatore elettrotermico L atomizzazione avviene nel tubo di grafite che è aperto da entrambi i lati ed è munito di un foro centrale da cui si introduce il campione per mezzo di una micropipetta. 48

49 Esempio di atomizzatore elettrotermico Nella figura è mostrata la piattaforma L vov usata spesso nei fornetti di grafite in cui il campione viene vaporizzato e ridotto in cenere. 49

50 Applicazioni degli atomizzatori elettrotermici Offrono il vantaggio di possedere una sensibilità molto elevata per piccoli volumi di campione. Sono sufficienti volumi di campione tra 0.5 e 10 µl per avere limiti assoluti di rilevabilità nell intervallo da sino a g di analita. I segnali in uscita sono transienti, a differenza di quelli che si hanno con la fiamma. La precisione relativa dei metodi elettrotermici è nell intervallo dal 5% al 10% paragonata all 1% o meno che ci si può aspettare dall atomizzazione a plasma o in fiamma. 50

51 Spettroscopia di assorbimento atomico in fiamma La spettroscopia di assorbimento atomico in fiamma è al momento il più utilizzato fra tutti i metodi atomici in virtù di: semplicità efficienza basso costo 51

52 Effetto della piccola ampiezza delle linee sulle misurazioni di assorbimento Poiché le energie di transizione per le linee di assorbimento atomico sono uniche per ciascun elemento i metodi analitici basati sull assorbimento atomico possiedono la caratteristica di essere altamente selettivi. D altra parte la piccola larghezza delle linee crea problemi nel caso di analisi quantitative. 52

53 Effetto della piccola ampiezza delle linee sulle misurazioni di assorbimento L uso di una radiazione che è stata isolata da una sorgente continua mediante un comune monocromatore non è in grado di dare una banda di radiazioni così stretta come la larghezza del picco di una linea di assorbimento atomico (0.002 nm sino a nm) causando inevitabilmente deviazioni strumentali dalla legge di Beer. Spechi parabolici fuori assi Fenditura d entrata Reticolo piano Fenditura d uscita 53

54 Effetto della piccola ampiezza delle linee sulle misurazioni di assorbimento Il problema creato dalla larghezza molto piccola dei picchi di assorbimento si superò, negli anni 50, ricorrendo all uso di radiazioni prodotte da una sorgente in grado di emettere una linea della stessa lunghezza d onda di quella scelta per l analisi di assorbimento, ma anche una linea più stretta. 54

55 Effetto della piccola ampiezza delle linee sulle misurazioni di assorbimento Una lampada a vapori di Hg può essere selezionata come sorgente esterna di radiazioni per la determinazione del Hg. Gli atomi gassosi del Hg, eccitati elettricamente in tali lampade, ritornano allo stato fondamentale emettendo una radiazione con una lunghezza d onda identica a quella assorbita dagli atomi dell analita di Hg nella fiamma. 55

56 Effetto della piccola ampiezza delle linee sulle misurazioni di assorbimento Poiché la lampada funziona ad una temperatura inferiore a quella della fiamma, in cui è contenuto il campione, l allargamento Doppler e di pressione delle linee di emissione provenienti dalla lampada sono inferiori all allargamento dei picchi di assorbimento dell analita nella fiamma. 56

57 Sorgenti a righe Due diversi tipi di lampade sono usati negli strumenti di assorbimento atomico: lampade a catodo cavo lampade a scarica senza elettrodi 57

58 Lampade a catodo cavo L applicazione di un potenziale di circa 300 V tra l anodo di tungsteno e tra il catodo (formato dal metallo analita) causa la ionizzazione dell argon e genera una corrente di 5-10 ma dovuta a ioni ed elettroni che migrano verso i due elettrodi. 58

59 Lampade a catodo cavo Se il potenziale è sufficientemente grande i cationi dell argon colpiscono il catodo con sufficiente energia da rimuovere alcuni atomi del metallo producendo una nube atomica; questo processo è detto sputtering. Gli atomi di metallo rimossi che si trovano allo stato eccitato emettono le loro tipiche lunghezze d onda ritornando allo stato fondamentale. Sono disponibili in commercio lampade a catodo cavo per circa 70 elementi. Alcune lampade sono munite di un catodo contenente più di un elemento. 59

60 Lampade a scarica senza elettrodi Questo tipo di lampade sono delle utili sorgenti di spettri a righe e danno intensità di radiazione da uno a due ordini di grandezza maggiori delle corrispondenti lampade a catodo cavo. La lampada è costituita da un tubo di quarzo contenente un gas inerte ed una piccola quantità del metallo analita. Non contiene elettrodi ma è energizzata da un campo molto intenso di radiazioni a frequenze radio o microonde. Esse sono particolarmente utili per gli elementi come As e Se per i quali le intensità delle lampade a catodo cavo sono basse. Le loro prestazioni non sono comunque affidabili quanto quelle delle lampade a catodo cavo. 60

61 Modulazione della sorgente In una misura di assorbimento atomico è necessario distinguere la radiazione proveniente dalla sorgente da quella della fiamma. La maggior parte di quest ultima è eliminata dal monocromatore che è sempre posto tra la fiamma ed il rivelatore. L eccitazione termica di una frazione degli atomi dell analita nella fiamma produce radiazioni di lunghezza d onda per le quali il monocromatore è posizionato. Poiché tale radiazione non viene rimossa essa agisce come una sorgente potenziale di interferenze. 61

62 Modulazione della sorgente Modulando l energia emessa dalla lampada a catodo cavo in modo tale che la sua intensità vari ad una frequenza costante si elimina l effetto dell emissione dell analita. La modulazione è ottenuta ponendo un chopper circolare a motore tra la sorgente e la fiamma. In alternativa, le lampade a catodo cavo possono funzionare ad intermittenza. 62

63 Strumentazione per la spettroscopia di assorbimento atomico I componenti di uno strumento progettato per la spettroscopia di assorbimento atomico sono uguali a quelli richiesti dagli strumenti per l analisi di assorbimento molecolare: sorgente, contenitore del campione (in questo caso la fiamma), selettore della lunghezza d onda ed un sistema rivelatore-registratore. Sono disponibili in commercio sia sistemi a singolo che a doppio raggio. 63

64 Interferenze Esistono due tipi di interferenze: interferenze del bianco interferenze dell analita 64

65 Interferenze del bianco Una interferenze del bianco o additiva produce un effetto che è indipendente dalla concentrazione dell analita. Questi effetti potrebbero essere ridotti se potesse essere preparato ed analizzato nelle stesse condizioni un bianco perfetto. L interferenza spettrale ne è un esempio: l effetto dell emissione del Na a 285,28 nm sulla determinazione del Mg a 285,21 nm. Con uno spettrometro di media risoluzione, il sodio del campione determinerà letture per il magnesio più alte, a meno che non venga sottratto un bianco contenente la quantità esatta di sodio. 65

66 Interferenze del bianco L emissione delle bande molecolari può anche causare un interferenza del bianco. Questo è particolarmente fastidioso nella spettrometria di fiamma, dove la più bassa temperatura e l atmosfera reattiva possono portare alla produzione di specie molecolari. Ad esempio, una elevata concentrazione di Ca in un campione può produrre l emissione della banda del CaOH, che può causare un interferenza del bianco se si presenta alla lunghezza d onda dell analita. 66

67 Interferenze dell analita Le interferenze dell analita variano l intensità dello stesso segnale analitico. Tali interferenze di solito non sono di natura spettrale, ma derivano piuttosto da effetti fisici e chimici. 67

68 Interferenze dell analita Le interferenze fisiche possono alterare il processo di aspirazione, nebulizzazione, desolvatazione e volatilizzazione. Le sostanze presenti in soluzione che modificano la viscosità della soluzione possono, per esempio, modificare l efficienza del processo di nebulizzazione. 68

69 Interferenze dell analita Le interferenze chimiche sono provocate da vari processi chimici che avvengono durante l atomizzazione e che alterano le caratteristiche di assorbimento dell analita. Le interferenze chimiche sono generalmente minimizzate da opportune scelte delle condizioni operative. L interferenza chimica più comune è quella dovuta agli anioni che formano con l analita composti a bassa volatilità e che quindi diminuiscono la velocità con cui sono atomizzati. Per esempio, in alcune fiamme, la presenza di fosfati nel campione può alterare la concentrazione atomica del Ca a causa della formazione di complessi non volatili. 69

70 Interferenze dell analita Le interferenze chimiche dovute a formazione di specie con bassa volatilità possono essere eliminate o ridotte usando temperature più alte. In via alternativa si possono introdurre agenti di rilascio cationici che reagendo di preferenza con l interferente prevengono la sua reazione con l analita. Per esempio, l aggiunta di Sr minimizza l interferenza da parte del fosfato nella determinazione del Ca. 70

71 Interferenze dell analita Gli agenti protettivi impediscono l interferenza formando soprattutto specie stabili, ma volatili, con l analita. Tre agenti comuni per questo scopo sono l EDTA, la 8- idrossichinolina e l APDC (sale ammonico dell acido 1-pirrolidinico carbo-ditioico). Ad esempio, è stato dimostrato che la presenza di ETDA minimizza l interferenza di fosfato nella determinazione del Ca. 71

72 Interferenze dell analita Sostanze che alterano la ionizzazione dell analita causano anche le interferenze da ionizzazione. La presenza di un elemento facilmente ionizzabile, come il K, può alterare il grado di ionizzazione di un elemento meno facilmente ionizzabile come il Ca. Nelle fiamme possono avere degli effetti marcati, a meno che non si aggiunga al campione un elemento facilmente ionizzabile. Questi vengono definiti come soppressori di ionizzazione (Na, Li, Cs, ecc.). 72

73 Analisi quantitativa mediante spettroscopia di assorbimento atomico La spettroscopia di assorbimento atomico rappresenta un mezzo sensibile per la determinazione di più di elementi. Il metodo si adatta bene per misure di routine anche con operatori non particolarmente esperti. 73

74 Regione della fiamma per misure quantitative La figura mostra l assorbimento di tre elementi in funzione della distanza dalla punta del bruciatore. La parte di fiamma da usare in un analisi deve essere variata da elemento a elemento per ottenere la massima lettura in assorbanza. 74

75 Regione della fiamma per misure quantitative L assorbanza per il Mg è massima in prossimità della parte centrale della fiamma. Lo stesso effetto non è visibile per l Ag in quanto esso è più resistente all ossidazione. Per il Cr che forma ossidi molto resistenti il massimo valore è raggiunto subito al di sopra dell apice del bruciatore. Per questo elemento, la formazioni di ossidi comincia non appena si formano gli atomi di cromo. 75

76 Analisi quantitative I metodi quantitativi di assorbimento atomico sono spesso basati su curve di taratura, che in teoria sono lineari; tuttavia vi sono deviazioni dalla linearità per cui le analisi non dovrebbero mai essere basate sulla misura di un singolo standard. 76

77 Metodo dell aggiunta dello standard esterno In questo procedimento due o più aliquote del campione sono trasferite in palloni volumetrici. Uno viene diluito direttamente a volume mentre nell altro si introduce una quantità nota di analita, prima della diluizione allo stesso volume. A questo punto si misura l assorbanza di ciascuna soluzione. 77

78 Metodo dell aggiunta standard Se esiste una relazione lineare tra assorbanza e concentrazione si può applicare la seguente relazione: A x = kv x c x V T A T = kv x c x V T + kv s c s V T V x e c x = volume e concentrazione della soluzione di analita V s e c s = volume e concentrazione dello standard V T = volume totale A x e A T = assorbanza del campione e del campione più lo standard 78

79 Metodo dell aggiunta standard Le due equazioni precedenti sono facilmente combinate per dare: C x = ( A x A T -A x ) c s V s V x 79

80 Metodo dell aggiunta standard Riportando A T dell equazione 1 in funzione di V s così come risulta nella figura riportata a lato la risultante linea può essere estrapolata ad A T = 0. Sostituendo questa relazione nell equazione 1 e ricomponendo si ha: c x = -c s (V s ) 0 V x (V s ) 0 è il volume standard ottenuto per estrapolazione. L uso del metodo delle aggiunte standard tende a compensare le variazioni dovute alle interferenze fisiche e chimiche nella soluzione dell analita. 80

81 Limiti di rilevabilità ed accuratezza Nella tabella illustrata sotto vengono riportati i limiti di rilevabilità (ng/ml) per un certo numero di elementi comuni in analisi di spettroscopia atomica. In condizioni ordinarie, l errore relativo di un analisi di AA in fiamma sono tra 1-2%. 81

82 Determinazione del mercurio (253,7 nm) mediante assorbimento atomico a temperatura ambiente con una sensibilità di 1 ppb 1) formazione di Hg (II) 2) riduzione a Hg 82

83 Spettroscopia di emissione atomica La spettroscopia di emissione atomica è ampiamente usata per l analisi elementare. Attualmente, l ICP è la sorgente più diffusa sebbene il DCP e la fiamma vengano ancora utilizzate in alcune situazioni. 83

84 Spettroscopia di emissione in fiamma La spettroscopia di emissione in fiamma ha trovato larga applicazione per l analisi elementare; in particolare si utilizza per determinare Na, K, Li, Ca nei fluidi e tessuti biologici. Tale procedimento è stato applicato con differenti risultati per la determinazione di oltre metà degli elementi della Tavola Periodica. 84

85 Spettroscopia di emissione in fiamma Oltre che per analisi di tipo quantitativo è utilizzata anche per analisi di tipo qualitativo. Mediante questa tecnica vengono registrati facilmente e velocemente spettri completi e l identificazione degli elementi presenti si basa sulla lunghezza d onda dei picchi, unici per ciascun elemento. 85

86 Stumentazione per la spettroscopia di emissione in fiamma La strumentazione richiesta dalla spettroscopia di emissione in fiamma è simile a quella della spettroscopia di assorbimento in fiamma. Tuttavia poiché la fiamma agisce come sorgente di radiazioni la lampada a catodo cavo ed il chopper non sono necessari. 86

87 Stumentazione per la spettroscopia di emissione ICP Selettore di lunghezza d onda Trasduttore(i) Le emissioni degli atomi e degli ioni provenienti dal plasma vengono separate nelle lunghezze d onda costituenti mediante u n monocromatore, policromatore o uno spettografo. Elaborazione del segnale Computer Nebulizzatore 87

88 Stumentazione per la spettroscopia di emissione ICP Selettore di lunghezza d onda Trasduttore(i) Il monocromatore isola una lunghezza d onda per volta su un unica fenditura d uscita, mentre il policromatore isola simultaneamente diverse lunghezze d onda su una serie di fenditure. Lo spettrografo consente di avere un ampia apertura in modo da avere in uscita un intervallo di lunghezze d onda. Elaborazione del segnale Computer Nebulizzatore 88

89 Stumentazione per la spettroscopia di emissione ICP Selettore di lunghezza d onda Trasduttore(i) Elaborazione del segnale Computer La radiazione isolata viene convertita in segnali elettrici mediante un singolo trasduttore, o mediante rivelatori in serie (array). Nebulizzatore 89

90 Stumentazione per la spettroscopia di emissione ICP La spettrometria di emissione viene spesso utilizzata per le determinazioni multielemento. Per tale scopo sono disponibili 2 tipi di strumenti. Lo spettrometro sequenziale utilizza un monocromatore ed esegue in sequenza la scansione delle diverse linee di emissione. I spettrometri simultanei utilizzano dei policromatori o degli spettrografi. Alcuni spettrometri moderni usano degli spettografi e uno o più array di rivelatori per monitorare simultaneamente le varie lunghezze d onda. 90

91 Non linearità nella spettroscopia di emissione atomica I risultati quantitativi di solito si basano sul metodo degli standard esterni. Chiaramente si desidera una relazione lineare tra la concentrazione dell elemento e la risposta del sistema di rivelazione. Ad elevate concentrazione, la causa principale della non linearità è l autoassorbimento. Infatti, anche ad elevate concentrazioni la maggior parte degli atomi dell analita si trova nello stato fondamentale. Durante l emissione degli atomi eccitati, i fotoni emessi possono essere assorbiti da questi atomi poichè essi hanno i livelli di energia adatti per assorbire. A basse concentrazioni, la ionizzazione dell analita può determinare la non linearità delle curve di calibrazione. 91

92 Non linearità nella spettroscopia di emissione atomica I metodi di emissione in fiamma spesso presentano un intervallo di linearità che si estende su 2-3 ordini di grandezza. Le sorgenti ICP e DCP possono presentare intervalli di linearità di 4-5 ordini di grandezza. 92

93 Spettrometria di massa atomica La spettrometria di massa al plasma ad accoppiamento induttivo (ICP-MS) è una tecnica usata per la determinazione simultanea di più di 70 elementi. 93

94 Spettrometria di massa atomica al plasma ad accoppiamento induttivo Il problema principale dei sistemi ICP-MS è costituito dall estrazione degli ioni dal plasma. Mentre un ICP opera a 1 atm i sistemi MS operano sotto vuoto spinto. L interfaccia tra l ICP e lo spettrometro di massa consiste, in genere, in 2 coni di metallo chiamati scrematori (skimmer). Ciascun skimmer ha un piccolo orifizio (1 mm) per permettere agli ioni di passare attraverso l ottica che li guida nell analizzatore di massa. Interfaccia Analizzatore di massa Rivelatore Computer 94

95 Spettrometria di massa atomica al plasma ad accoppiamento induttivo Il fascio di ioni introdotto nell analizzatore MS ha quasi la stessa composizione ionica della regione del plasma dalla quale gli ioni vengono estratti. Interfaccia Analizzatore di massa Rivelatore Computer 95

96 ICP-MS: analizzatori di massa I più comuni sono a quadrupolo, settore magnetico, doppia focalizzazione ed anche a tempo di volo [time of flight (TOF)]. La risoluzione di un analizzatore di massa è definita come: R = m Δm dove m è la massa nominale e Δm è la differenza di massa che può essere risolta. Una risoluzione di 100 significa che ad una massa nominale di 100 si può distinguere la massa unitaria (1 Da) 96

97 ICP-MS: analizzatori di massa L analizzatore di massa a quadrupolo consiste in 4 barre cilindriche. Sono fondamentalmente dei filtri di massa che permettono il passaggio soltanto di ioni con un determinato rapporto massa/carica (m/z). Le barre opposte sono collegate ad un potenziale elettrico e ad uno a radiofrequenza. Modulando i potenziali si crea un cammino stabile per gli ioni con un certo rapporto m/z. Gli spettri MS si ottengono mediante la scansione dei potenziali applicati alle barre. La risoluzione tipica di un analizzatore a quadrupolo è una unità di massa (bassa). 97

98 ICP-MS: analizzatori di massa Negli analizzatori di massa a settore magnetico la separazione è basata sulla deviazione degli ioni in un campo magnetico. Le traiettorie degli ioni dipendono dai loro valori di m/z. Nei sistemi ICP-MS a doppia focalizzazione, un settore elettrico focalizza su una fenditura che porta ad un settore magnetico solo un fascio di ioni aventi uno stretto intervallo di energie cinetiche. Tali strumenti possono arrivare a valori di di risoluzione. Nei sistemi TOF gli ioni entrano in una regione libera da campo: il tempo impiegato dagli ioni per raggiungere il rivelatore è direttamente proporzionale alla loro massa. 98

99 ICP-MS: rivelatori I rivelatori più comuni nei sistemi ICP-MS sono i moltiplicatori di elettroni a dinodi discreti, che opera in maniera simile a un trasduttore fotomoltiplicatore per la radiazione UV/Vis. Gli elettroni colpiscono un catodo, il quale emette degli elettroni secondari. Questi vengono attratti dai dinodi i quali sono mantenuti a potenziali progressivamente più positivi. 99

100 ICP-MS: interferenze Le interferenze sono di 2 tipi: interferenze spettroscopiche ed effetti di matrice. Le prime avvengono quando una specie ionica nel plasma ha lo stesso valore di m/z di uno ione dell analita. Un sistema MS ad alta risoluzione può ridurre queste interferenze. Gli effetti matrice diventano evidenti per concentrazioni maggiori di µg/ml. Di solito, questi effetti determinano una riduzione del segnale dell analita. 100