SPETTROSCOPIA ATOMICA (estratto dal file ipertestuale distribuito a lezione) La spettroscopia atomica comprende un insieme di tecniche analitiche basate sull'assorbimento, l'emissione o la fluorescenza da parte di atomi o ioni elementari. Esse prevedono due stadi fondamentali: il campione viene portato allo stato gassoso ed i suoi componenti sono atomizzati; dall'interazione tra le particelle atomiche (atomi o ioni elementari) e la radiazione elettromagnetica si ottengono informazioni quantitative e qualitative sulla composizione del campione. In particolare: - la lunghezza d'onda delle radiazioni emesse o assorbite sono indicative della natura chimica degli analiti; - l'entità dell'assorbimento, emissione o fluorescenza è proporzionale alla concentrazione degli analiti stessi. Nelle tecniche prese in considerazione in questo corso, le radiazioni elettromagnetiche emesse o assorbite appartengono alla zona del visibile e dell'ultravioletto. I metodi di spettroscopia atomica sono applicabili alla determinazione di metalli e di alcuni semimetalli e forniscono un'analisi elementare, cioè indicano la concentrazione totale di un elemento ma non danno informazioni sulla forma chimica (stato di ossidazione, complessazione...) in cui è presente nel campione. Le tecniche trattate in questo corso sono quelle più comunemente utilizzate nelle analisi chimiche, e comprendono: spettroscopia di assorbimento con atomizzazione a fiamma spettroscopia di assorbimento con atomizzazione elettrotermica (a fornetto) spettroscopia di assorbimento con generazione di idruri spettroscopia di assorbimento a vapori freddi spettroscopia di emissione atomica a plasma ad accoppiamento induttivo.
SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO Principio Il campione viene riscaldato, vaporizzato e atomizzato. Una radiazione di lunghezza d onda caratteristica per ogni analita attraversa il vapore atomico. Una parte della radiazione è assorbita dagli atomi dell analita. La frazione assorbita è proporzionale alla sua concentrazione. Componenti dello strumento Sorgente Emette una radiazione monocromatica Atomizzatore Può essere a fiamma o fornetto Atomizzatore a fiamma Solitamente ottenuta con aria e acetilene (2100-2400 C) Atomizzatore a fornetto Si utilizza fornetto di grafite riscaldato mediante il passaggio di una corrente elettrica. Il volume depositato nel fornetto (di solito mediante un autocampionatore) è usualmente di 10 50 µl. La temperatura del fornetto viene incrementata in stadi successivi, nei quali hanno luogo i seguenti fenomeni:
evaporazione del solvente (tipicamente 90-120 C) decomposizione e volatilizzazione della maggior parte della matrice ( arrostimento) (tipicamente 1000-1500 C ) atomizzazione dell analita (tipicamente 2000-2500 C) pulizia finale del fornetto ( tipicamente 2700 C) Esempi di temperatura di arrostimento e atomizzazione per vari elementi Elemento Temperatura di arrostimento (char), C Temperatura di atomizzazione, C Ag 500 1300 Al 1300 2600 Cd 250 800 Cu 900 2250 Fe 1200 2500 Ni 1200 2700 Se 200 2000 Zn 400 1000 All'interno del fornetto si può inserire una piattaforma (v. nota), per aumentare la sensibilità di misura e ridurre le interferenze. Principale vantaggio del fornetto rispetto alla fiamma: l assorbanza si misura solo nello stadio di atomizzazione, quindi si riduce l interferenza degli altri componenti della matrice (già rimossi). Inoltre si lavora in un ambiente inerte (flusso di Argon), mentre nella fiamma si ha un ambiente molto reattivo (presenza di ossigeno).
Monocromatore E' un dispositivo per isolare la radiazione di interesse. Negli spettrometri di assorbimento atomico è spesso a reticolo. Rivelatore E' un dispositivo che converte l intensità della radiazione trasmessa (cioè la frazione non assorbita dall analita) in un segnale elettrico ad essa proporzionale. Comunemente si utilizza un fotomoltiplicatore.gli strumenti moderni possono essere dotati di rivelatore allo stato solido. Dispositivo per la correzione del fondo Permette di sottrarre il segnale di fondo (v. più avanti interferenze ) e di ottenere il segnale netto dell'analita. Sistema di registrazione del segnale Negli attuali strumenti il segnale viene trasmesso ad un personal computer che ne permette la visualizzazione e elaborazione. Esempio di segnale Informazioni analitiche L'area e l'altezza del picco sono proporzionali alla concentrazione di analita (analisi qualitativa). La lunghezza d'onda di assorbimento è caratteristica dell' elemento (analisi qualitativa).
Schema a blocchi di un apparecchiatura per spettrometria di assorbimento atomico a fiamma. Campione Nebulizzatore Sorgente lampada HCL o EDL Atomizzazione a fiamma Controllo interferenze Rivelazione Visualizz. Elaboraz. Stampa dati Schema a blocchi di un apparecchiatura per spettrometria di assorbimento atomico a fornetto di grafite. Campione Sorgente lampada Atomizzazione con fornetto di grafite Controllo interferenze Rivelazione Visualizz. Elaboraz. Stampa dati Nota: la piattaforma Svantaggio nell'atomizzazione da fornetto: condizioni non isoterme (ambiente del fornetto più freddo delle pareti pericolo di condensazione o ricombinazione delle specie volatilizzate). Soluzione: introdurre nel fornetto una piattaforma in grafite (piattaforma di L'vov). La piattaforma è riscaldata per irraggiamento dalle pareti riscaldamento più lento rispetto all'ambiente del fornetto si raggiunge la temperatura di atomizzazione più tardi (pochi secondi) l' atomizzazione avviene in condizioni di equilibrio termico. Si ottiene una maggiore sensibilità e una riduzione degli effetti matrice.
Interferenze con atomizzatore a fiamma CARATTERISTICHE DELLA TECNICA Interferenze spettrali Altri componenti del campione assorbono alla stessa lunghezza d onda dell analita. In particolare l assorbimento da parte di specie presenti nella fiamma (ossidi, radicali OH, frammenti di molecole di solvente ) e la luce diffusa possono generare un segnale di fondo (che si può correggere) Interferenze chimiche Si verificano quando la temperatura della fiamma non è sufficiente a dissociare composti molecolari dell analita che possono essersi formati nella fiamma stessa (ad esempio gli ioni fosfato interferiscono nella determinazione del calcio) Interferenze di ionizzazione Se la fiamma è troppo calda l analita può essere ionizzato in misura significativa e la concentrazione di atomi liberi (responsabili dell assorbimento della radiazione) diminuisce Interferenze di trasporto La velocità di aspirazione e di nebulizzazione sono influenzate dalla viscosità, densità e tensione superficiale della soluzione in esame. Quando campioni e standard differiscono per qualcuno di questi parametri, ad esempio in presenza di un componente organico nel campione, si ha una diversa resa di nebulizzazione tra campioni e standard, ed una conseguente variazione nella porzione di analita che raggiunge la fiamma. Si ovvia a questo inconveniente preparando gli standard in una matrice il più vicino possibile a quella dei campioni o utilizzando il metodo delle aggiunte standard. Interferenze con atomizzatore a fornetto Interferenze spettrali Le bande di assorbimento dei componenti della matrice (non completamente volatilizzati prima dell atomizzazione dell analita, o ricondensati sulle pareti del fornetto) e la diffusione della luce generano un segnale di fondo. Per ovviare a questo problema si deve effettuare una correzione del segnale di fondo. Il segnale di fondo con la tecnica a fornetto di grafite è molto più basso di quello esistente nel caso di atomizzazione a fiamma.
Interferenze chimiche Si verificano quando altri componenti della matrice inibiscono la formazione di atomi liberi dell analita. Si possono formare composti volatili dell analita che vengono vaporizzati prima dello stadio di atomizzazione: ad esempio il piombo in presenza di cloruri viene parzialmente perso per volatilizzazione come (in assenza di modificatore di matrice). Alcuni elementi invece (es. Zr, o W) tendono a formare carburi non volatili con la grafite del fornetto. La tendenza è ridotta se si utilizzano fornetti in grafite pirolitica. Si ovvia a queste interferenze, in alcuni casi, con l aggiunta di un modificatore di matrice oppure con il metodo delle aggiunte standard. I modificatori di matrice hanno la funzione di permettere una migliore separazione tra gli stadi di rimozione della matrice e di atomizzazione, rendendo più volatile la prima oppure diminuendo la volatilità dell analita. Esempio: determinazione di metalli in una matrice ad elevato contenuto di NaCl. NaCl provoca interferenza (elevato segnale di fondo) Modificatore: NH 4 NO 3 Si formano NaNO 3 e NH 4 Cl che sono rimossi più facilmente di NaCl: NH 4 NO 3 + NaCl NaNO 3 + NH 4 Cl si decompone m.p. 1079 K si decompone subl. 618 K a 483 K b.p. 1691 K a 653 K b.p. 798 K m.p. = punto di fusione (melting point) b.p. = punto di ebollizione (boiling point) subl = sublima Limiti di rivelabilità I limiti di rivelabilità con l atomizzazione a fornetto sono più bassi di quelli con l atomizzazione a fiamma (v. tabella sul file).
ASSORBIMENTO ATOMICO CON GENERAZIONE DI IDRURI Per la determinazione di vari elementi mediante assorbimento atomico è stato sviluppato un metodo alternativo all' uso della fiamma e del fornetto. Il procedimento, utilizzabile per la determinazione di As, Bi, Ge, Sb, Se, Sn, Te, consiste nel trasformare i suddetti analiti nei loro idruri volatili. Gli idruri volatili vengono immessi in una cella di quarzo riscaldata con una fiamma o con un mantello riscaldante. Siccome gli idruri degli elementi elencati sopra sono termicamente instabili, essi si decompongono liberando idrogeno ed il vapore atomico dell' analita, la cui concentrazione può quindi essere determinata. Per la generazione degli idruri si impiega un apposito apparecchio in cui l' analita è fatto reagire con boroidruro di sodio e acido cloridrico. I valori molto bassi delle quantità minime rivlabili sono una conseguenza dell' alta efficienza nel produrre una nuvola di atomi liberi a partire da un volume di soluzione assai maggiore di quello che si introduce nel fornetto di grafite.
ASSORBIMENTO ATOMICO CON VAPORI FREDDI Per i composti del mercurio è stata sviluppata una tecnica particolare che permette di effettuare determinazioni con sensibilità molto elevata. La tecnica, CV ASS, è basata sulla formazione di mercurio metallico a temperatura ambiente mediante riduzione chimica con cloruro di stagno(ii) o con boroidruro di sodio. Il mercurio atomico in traccia che si genera viene volatilizzato da una corrente di argo che si fa gorgogliare nel reattore e trasportato in una cella ottica per la misura dell' assorbanza. La lampada è un semplice bulbo a scarica di mercurio di cui viene isolata la riga a 254 nm. Con questo semplice dispositivo i limiti di determinazione del mercurio sono molto più bassi che con le procedure convenzionali.
SPETTROSCOPIA DI EMISSIONE ATOMICA A PLASMA AD ACCOPPIAMENTO INDUTTIVO (ICP-AES) Principio Il campione è atomizzato mediante riscaldamento in un plasma (di solito da argon ad alta temperatura, 8000-9000 K, parzialmente ionizzato). Nella maggior parte degli strumenti si fa uso di plasma ad accoppiamento induttivo (ICP, Inductively Coupled Plasma). Il plasma fornisce anche l energia per portare gli atomi dallo stato elementare a stati eccitati. Gli atomi eccitati tendono a tornare a stati con energia inferiore con concomitante emissione di energia radiante. L intensità della radiazione emessa ad un opportuna lunghezza d onda è proporzionale alla concentrazione dell analita. Componenti dello strumento Introduzione del campione In genere il campione viene aspirato da una pompa peristaltica e introdotto nella torcia per azione di un nebulizzatore. I nebulizzatori più comuni sono quelli pneumatici, nei quali il campione incontra un flusso di argon che dà luogo alla formazione di un aerosol. L aerosol entra in una camera di nebulizzazione, nella quale vengono rimosse le gocce più grandi, in modo che alla torcia arrivino solo le gocce più piccole; contemporaneamente si smorzano gli impulsi che si generano durante la nebulizzazione, dovuti all azione della pompa Torcia La torcia e un insieme di tre tubi concentrici, normalmente di quarzo. Nella torcia un flusso di argon viene portato in forma di plasma che raggiunge temperature di 8000 9000 K.
L argon fluisce nei tre tubi concentrici con funzioni diverse: nella parte più esterna si ha un elevata velocità di flusso per raffreddare la parte esterna del plasma ed evitare la fusione del quarzo; la corrente intermedia alimenta il plasma; nel tubo più interno viene trasportato il campione nebulizzato. Monocromatore E' un dispositivo utilizzato per isolare la radiazione di interesse, emessa dall'analita all' interno del plasma. Negli spettrometri di emissione è solitamente a reticolo. Rivelatore E' un dispositivo che converte l intensità della radiazione trasmessa in un segnale elettrico ad essa proporzionale. Comunemente è un fotomoltiplicatore. Registratore del segnale Negli attuali strumenti il segnale viene trasmesso ad un Personal Computer che ne permette la visualizzazione e l'elaborazione. La correzione del segnale di fondo viene eseguita misurando l intensità di emissione ai lati della riga di emissione dell analita e sottraendola dal segnale di quest ultimo. Esempio di segnale: Informazioni analitiche L'altezza del picco è proporzionale alla concentrazione di analita (analisi quantitativa). La lunghezza d'onda di emissione è caratteristica dell' elemento (analisi qualitativa)
Schema a blocchi di un apparecchiatura per spettrometria di emissione atomica ICP. Campione Nebulizzatore Argon, Induzione Plasma ICP Monocromatore Rivelazione Visualizz. Elaboraz. Stampa dati CARATTERISTICHE DELLA TECNICA Interferenze Interferenze spettrali Si possono avere sovrapposizioni (totali o parziali) delle linee di emissione dell analita con quelle di altre specie presenti nel campione; esiste inoltre un segnale di fondo continuo. Si ovvia alla sovrapposizione di linee di emissione cambiando la lunghezza d onda di misura oppure con correzioni matematiche. Il segnale di fondo invece viene corretto misurando l intensità di emissione ai lati del picco dell analita e sottraendola dal segnale di quest ultimo Interferenze di trasporto Differenze nella viscosità o tensione superficiale tra campioni e standard portano a cambiamenti nelle velocità di aspirazione e nebulizzazione. Si ovvia a questo inconveniente preparando gli standard in una matrice il più vicino possibile a quella dei campioni o utilizzando il metodo delle aggiunte standard Limiti di rivelabilità I limiti di rivelabilità della tecnica ICP-AES sono più alti di quelli della spettroscopia di assorbimento atomico con atomizzazione a fornetto ma spesso sono più bassi di quelli con l atomizzazione a fiamma (v. tabella sul file).
APPLICAZIONI DI INTERESSE DELLA SPETTROSCOPIA ATOMICA DI ASSORBIMENTO E DI EMISSIONE Applicazioni in ambito erboristico Determinazione della maggior parte dei metalli, delle terre rare e di alcuni metalloidi in piante officinali ( ci sono limiti di legge per alcuni metalli). Obiettivi più frequenti: verificare un eventuale contaminazione o il contenuto di macro- e micro-nutrienti. Esempi dalla letteratura. Determinazione di: - Cd, Pb, Ni nel ginseng - Ge nel ginseng - Cu, Cr, Co, Cd, Pb, Zn, Ni, Fe, Hg in piante officinali per medicina ayurvedica - As nell aglio (studio dell accumulo dal suolo) - Fe, Ni, As, Hg nell aglio - Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Zn nell ortica - Mn, Fe, Zn, Cu, Ni, Co nell Aloe - Fe nell artemisia - Na, K, Mg, Ca in capsule dietetiche contenenti propolis - Ag, As, Be, Bi, Cd, Hg, Ni, Pb, Sb, Tl, Li, V, Hf, W, Ta e terre rare nel mirtillo (studio dell effetto della zona di origine e dell effetto del lavaggio della pianta) - Al, Cr, Cu, Fe, K, Mg, Ni, Mn, Na in oli essenziali di menta, camomilla, salvia (studio del passaggio di metalli dagli oli ai tessuti) - Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Rb, Sr, Zn in prodotti contenenti liquirizia - B, Mn, Fe, Mg, Mo, Cu and Zn in piante officinali per medicina cinese. Applicazioni generali Determinazione della maggior parte dei metalli, delle terre rare e di alcuni metalloidi in: alimenti farmaci e composti di interesse clinico acque, suolo, particolato atmosferico, vegetali materiali e prodotti industriali (acciai, oli, polimeri...)