LA SPETTROSCOPIA ATOMICA
COS È LA SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO? La spettroscopia di assorbimento atomico è una tecnica analitica utilizzata soprattutto per l analisi quantitativa di svariati metalli e alcuni non metalli; La tecnologia è stata introdotta nel 1955 da Alan Walsh in Australia; I primi spettrometri di assorbimento atomico furono introdotti nel 1959.
LO STRUMENTO Un bruciatore (la fiamma); Lampade o sorgenti luminose che producono la luce con la λ desiderata; Un rivelatore; Un sistema aspiratore per le soluzioni nell apparato di combustione (una pompa); Un computer per il controllo dell esperimento.
LE COMPONENTI DELLO STRUMENTO Sulla sinistra c è la fiamma e l atomizzatore (dietro la grata); come per tutti i bruciatori è predisposta una cappa aspirante sovrastante; In basso a sinistra si trovano due bottiglie contenenti l acqua usata per la pulizia della conduttura e la diluizione delle soluzioni di analita se troppo concentrate. A fianco si trova la pompa che spinge l acqua nelle condutture; Sulla destra si trova l armadio contenente le lampade che fungono da sorgenti luminose.
SPETTRO DI ASSORBIMENTO La lunghezza d onda ( λ ) caratteristica dello spettro di assorbimento è data da: E = E 1 - E 0 = hc / λ; E 1 = Energia stato eccitato; E 0 = Energia stato fondamentale; h = costante di Planck = 6,62 x 10-31 J s; c = Velocità della luce nel vuoto 3 10 5 km/s; λ = Lunghezza d onda della radiazione luminosa.
PROFILO DELLA SPETTRO DI ASSORBIMENTO K 0 = coefficiente di assorbimento massimale; v = mezza ampiezza; v 0 = lunghezza d onda centrale.
LE CAUSE DELL ALLARGAMENTO DI BANDA Allargamento naturale: è determinato dal tempo di permanenza degli atomi nello stato eccitato e dal principio di indeterminazione di Heisenberg (10-5 mm); Allargamento per effetto Doppler: è causato dal rapido movimento degli atomi durante la fase di emissione o assorbimento della radiazione luminosa (10-3 mm); Allargamento di Lorentz: è causato dalle collisioni tra gli atomi e le molecole nella fase gassosa che portano alla disattivazione dello stato eccitato quindi allargando le linee spettrali.
EFFETTO DOPPLER Risultato del rapido movimento di atomi mentre emettono o assorbono radiazione.
SORGENTE ATOMIZZATORE MONOCROMATORE RIVELATORE NEBULIZZATORE INTERFACCIA Schema di uno spettrofotometro di assorbimento atomico
SORGENTE Lampade a scarica a radiofrequenza; Lampade a catado cavo.
SORGENTE - LAMPADE A CATODO VUOTO Catodo: nella forma di un cilindro, formato dallo stesso materiale studiato nella fiamma; Anodo: tungsteno;
UNA LAMPADA PER L ALLUMINIO
SPCTRAA - AAS SPECCHIO MOTORIZZATO LAMPADE
TECNICHE DI ATOMIZZAZIONE Atomizzazione a fiamma; Atomizzazione elettrotermica; Atomizzazione con fornace a grafite; Atomizzazione con vapore-freddo;
PROCESSI DELL ATOMIZZAZIONE
FUNZIONAMENTO NEBULIZZATORE Come si porta la soluzione in analisi in fase gassosa? Nebulizzatore: produce una miscela o aerosol della soluzione in analisi; Camera di vaporizzazione: la soluzione finemente miscelata è mescolata con il gas combustibile e il gas ausiliario (che spinge la soluzione al bruciatore): le goccioline pi grandi di liquido ricadano dal flusso gassoso e vengono scartate passando dal tubo di drenaggio; Testa del bruciatore: lil percorso della fiamma è lunga più o meno 10-12 cm.
COMBUSTIBILI E COMBURENTI PIÙ UTILIZZATI COMBUSTIBILE COMBURENTE (OSSIDANTE) Aria Propano Aria Idrogeno Aria Acetilene Ossido nitroso (N 2 O) Acetilene
ALTRI COMBUSTIBILI E OSSIDANTI USATI
SVANTAGGI DELL ATOMIZZAZIONE A FIAMMA Soltanto il 5 15 % del campione nebulizzato raggiunge la fiamma; Per avere una lettura accettabile è richiesto un minimo di 0,5 1 ml di volume di campione; I campioni con una elevata viscosità richiedono una diluizione con un solvente adatto.
TUBO DI GRAFITE DI PLATEAU La tecnica della fornace a grafite.
ESSICCAMENTO INCENERIMENTO ATOMIZZAZIONE Schema di funzionamento della fornace a grafite
VANTAGGI DELLA TECNICA DELLA FORNACE A GRAFITE Campioni di piccole dimensioni (più piccoli di 0,5 µl); La operazioni di preparazione del campione sono esigue o nulle; La sensibilità è maggiore (10 10 10-13 g), un intervallo da 100 a 1000 volte maggiore; Possibilità di analisi diretta di campioni solidi.
SVANTAGGI DELLA TECNICA DELLA FORNACE A GRAFITE Effetti di assorbimento di fondo; L analita può perdersi durante la fase di incenerimento; Il campione può non essere completamente atomizzato; La precisione è più bassa rispetto al metodo a fiamma, 5 10% contro l 1%; Il range analitico è relativamente ristretto (meno di due ordini di magnitudine); Formazione di cianogeni, fonti di interferenze.
TECNICA DEL VAPORE FREDDO La tecnica del vapore freddo è utilizzata per la determinazione del mercurio e si basa sulle proprietà uniche di questo elemento. Il mercurio può infatti essere facilmente ridotto a metallo dai suoi composti. Il vapore di mercurio ottenuto può essere convogliato in un flusso di un gas inerte o in aria e misurato attraverso l assorbimento atomico del vapore freddo senza il bisogno di fiamma o atomizzatore a fiamma. Hg 2+ + Sn 2+ Hg 0 + Sn 4+
TECNICA A GENERAZIONE DI IDROGENO Questa tecnica è un passaggio addizionale utilizzato solamente per l arsenico (As), l antimonio (Te) e il selenio (Se), e prevede comunque l utilizzo di un bruciatore. NaBH 4 As (V) AsH 3 As 0 (gas) + H 2 (sol) [H + ] heat in flame
MONOCROMATORI Reticolo di diffrazione
FOTOMOLTIPLICATORE
RIVELATORI - FOTOMOLTIPLICATORI
INTERFACCIA DI CONTROLLO Display digitale; Stampante; Computer.
SCHEMA DI CONTROLLO
INTERFERENZE Interferenze spettrali; Interferenze chimiche; Interferenze fisiche.
INTERFERENZE SPETTRALI Sovrapposizione dello spettro; Errore analitico positivo; Cu 324.754 nm, Eu 324.753 nm, Al 308.215 nm, V 308.211nm, Al 309.27 nm.
INTERFERENZE SPETTRALI Line di non-assorbimento; Assorbimento molecolare; Determinata dai prodotti di combustione (il combustibile e la miscela ossidante); Correzioni misurando le assonanze mentre è aspirato un bianco (metodo dello standard interno).
INTERFERENZE SPETTRALI - LUCE INTERFERENTE Le particelle di ossidi metallici con diametro più grande della lunghezza d onda della luce; Quando un campione contiene specie organiche o sono usati solventi organici per dissolvere il campione, la combustione incompleta di una matrice organica lascia particelle di carbonio che possono emettere luce di interferenza.
INTERFERENZE SPETTRALI - LUCE INTERFERENTE L interferenza può essere evitata dalla variazione nelle variabili analitiche, come la temperatura della fiamma e il rapporto combustibile-comburente; Metodo dello standard interno; Correzione di Zeeman.
INTERFERENZE CHIMICHE La formazione di composti a bassa volatilità: Ca 2+, PO 3-4, Mg 2+, Al 3+ ; Aumento della temperatura della fiamma; Utilizzo di agenti rilascianti (La 3+ ); Utilizzo di agenti protettivi (EDTA); Separazione.
INTERFERENE CHIMICHE Ionizzazione; Aggiungendo un eccesso di un soppressante di ionizzazione.
INTERFERENZE FISICHE Viscosità; Densità; Tensione superficiale; Volatilità; La combinazione di corrette matrici.
PROCEDURE OPERATIVE Preparazione delle soluzioni campione; Ottimizzazione delle condizioni operative: linea di risonanza; larghezza fessura; corrente di HLC; condizioni di atomizzazione; Procedura di calibrazione della retta.
SENSIBILITÀ E LIMITE DI RILEVAMENTO La concentrazione di una soluzione acquosa degli elementi che assorbe 1% della radiazione di risonanza incidente; la concentrazione che da un assorbanza di 0,0044.
VANTAGGI E SVANTAGGI Alta sensibilità; Buona accuratezza; Alta selettività; Ampiamente usato; Una sorgente lineare di risonanza è richiesta per ogni elemento da determinare.
LE LAMPADE Dal basso verso l alto le lampade sono per il Mg, Ca, K, ed una combinazione di Co, Ni, Mn, Cu, e Cr. Ogni elemento utilizza una specifica λ.
LA FIAMMA La figura a sinistra mostra la fiamma originata dal bruciatore aspirando soltanto acqua; Le due fessure a sinistra e a destra, sono dove i raggi di luce entrano ed escono dopo essere passati attraverso la fiamma; La macchia nera in alto è zona a diversa temperatura causata dal calore della fiamma.
LA STRUMENTAZIONE Gli spettrometri più recenti utilizzano un computer connesso all apparato che controlla l analisi; È necessario l utilizzo di standard (soluzione a concentrazione nota) per tarare lo strumento; Per effettuare un analisi vanno prima impostati vari parametri per lo strumento dall interfaccia di controllo sul computer, tra cui: Quali ioni sono in analisi; La concentrazione delle soluzioni standard; Il numero di punti da misurare; La λ da analizzare; La posizione della lampada.
PREPARAZIONE DEGLI STANDARD Un set di standard è pronto per essere aspirato nel bruciatore; Questo strumento è capace di diluire automaticamente la soluzione in analisi.
PREPARAZIONE DEGLI STANDARD Un campione di sciroppo d acero è pronto per essere aspirato nel bruciatore.
La soluzione analizzata misura un assorbanza di 0,068 unità che corrisponde ad una concentrazione di 10,2 ppm.
COLORI DELLA FIAMMA IN PRESENZA DI DIVERSI IONI Le slide successive mostrano la colorazione della fiamma in presenza di vari ioni nella soluzione aspirata dal bruciatore. La differenza in intensità del colore è in parte dovuta alle differenze nella concentrazione della soluzioni di diverse sostanze utilizzate.
LA FIAMMA DEL CALCIO La fiamma del calcio è rossa. In particolare è rosso intenso la concentrazione della soluzione analizzata era molto alta.
LA FIAMMA DEL RAME
LA FIAMMA DEL POTASSIO
LA FIAMMA DEL MANGANESE
LA FIAMMA DEL COBALTO
RISULTATI Il computer immagazzina i dati che possono successivamente essere stampati; L interfaccia di controllo può essere impostata per mostrare la retta di taratura con le concentrazioni e le relative unità di intensità luminosa sul display del computer.