Tema 6.- Aplicaciones y criterios de uso de la espectroscopia de absorción atómica en la zona UV-visible: Absorción atómica

Transcripción

1 Tema 6.- Aplicaciones y criterios de uso de la espectroscopia de absorción atómica en la zona UV-visible: Absorción atómica El instrumento: parámetros de interés y calibración.- Descripción de aplicaciones frecuentes.- Selección de procedimientos adecuados para problemas concretos.- Uso de la espectroscopia de absorción atómica como sistema de detección en otras técnicas instrumentales.

2 Atomización en llama En un atomizador de llama, la disolución de la muestra es nebulizada mediante un flujo de gas oxidante mezclado con el gas combustible, y se transporta a una llama donde se produce la atomización. ETAPAS: Desolvatación, evaporación del disolvente hasta producir un aerosol molecular sólido finamente dividido. Disociación de la mayoría de estas moléculas para formar un gas atómico La mayoría de los átomos así formados se ionizan originando cationes y electrones. Se producen también otras moléculas y átomos en la llama Como resultado de las interacciones del gas combustible con el gas oxidante y con las distintas especies de la muestra Una fracción de las moléculas, átomos e iones también se excita por el calor de la llama, Se producen espectros de emisión moleculares, atómicos e iónicos. Se producen muchos procesos complejos la atomización es la etapa mas critica en la espectroscopia de llama y limita la precisión

3 Tipos de llamas-temperaturas Llama típica aire (oxidante) y acetileno (combustible) Con aire se obtienen T a C con varios combustibles Sólo las muestras que se descomponen fácilmente se atomizan. Para muestras refractarias oxígeno u óxido nitroso como oxidante Producen temperaturas de a C con los combustibles habituales

4 Tipos de llamas-velocidades de combustión Las llamas solo son estables en ciertos intervalos de caudal de la mezcla combustible/oxidante. Si caudal < la velocidad de combustión la llama se propaga hacia el interior del quemador, dando un fogonazo Si el caudal aumenta, la llama sube hasta alcanzar un punto por encima del quemador donde el caudal y la velocidad de combustión son iguales En esta región es donde la llama es estable Si aumenta mucho el caudal La llama sube y al final alcanza un punto donde se aparta del mechero y se apaga. El caudal depende mucho del tipo de combustible y de oxidante utilizados.

5 Estructura de la llama El aspecto y el tamaño relativo de las regiones varia con la relación combustible-oxidante el tipo de combustible y de oxidante. Zona de combustión primaria en una llama de hidrocarburos se reconoce por su coloración azul espectros de bandas de C2, CH y otros radicales En general, en esta zona no se alcanza el equilibrio térmico rara vez se utiliza en la FAAS Región interconal, es relativamente estrecha en llamas de hidrocarburo estequiométricas puede alcanzar varios centímetros de altura con fuentes ricas en combustible de acetileno/oxigeno o acetileno/oxido nitroso. frecuentemente rica en átomos libres es la parte de la llama mas ampliamente utilizada en espectroscopia Zona de combustión secundaria donde los productos formados en la región interior se convierten en óxidos moleculares estables que se dispersan por los alrededores

6 El perfil de la llama Perfiles de temperatura proporciona información útil respecto a los procesos que tienen lugar en las distintas partes de la llama Es una representación de contornos que muestra las regiones de la llama donde una variable de interés tiene valores similares Variables: T, composición química, la absorbancia y intensidad radiante o fluorescente Es importante, especialmente en los métodos de emisión enfocar la misma parte de la llama con la rendija de entrada en todas las medidas analíticas y de calibración Perfil de temperatura de una llama característica para espectroscopia atómica. La temperaturamáximase localiza aproximadamente 1 cm por encima de la zona de combustión primaria de la llama.

7 Perfiles de absorbancia de la llama Mg presenta un máximo de absorbancia aproximadamente a la mitad de la llama debido a dos efectos opuestos Aumento inicial a medida que la distancia a la base de la llama aumenta se aumenta el número de átomos Disminución A medida que avanzan los átomos se inicia su oxidación y la absorbancia disminuye Perfiles de absorción para Mg, Cr y Ag Ag Cr no se oxida fácilmente, se observa un aumento continuo del número de átomos y, por tanto, de la absorbancia desde la base hasta la periferia de la llama forma óxidos muy estables disminución continua de A desde una zona próxima al extremo del mechero (la formación de óxidos predomina desde el principio) En el análisis de cada uno de estos elementos se debería utilizar una zona distinta de la llama Los instrumentos más sofisticados utilizados en FAAS están equipados con monocromadores qu analizan la radiación de una región relativamente pequeña de la llama El ajuste de la posición de la llama respecto a la rendija de entrada es, por tanto, critico

8 Introducción de la muestra -1 La introducción de la muestra Puede limitar la exactitud, precisión y límites de detección La cantidad de muestra a introducir debe ser una parte reproducible y representativa de la muestra La facilidad depende en gran medida del estado físico y químico del analito y de la matriz de la muestra Muestras sólidas de elementos refractarios la introducción de la muestra es generalmente el principal problema Muestras gaseosas y en disolución esta etapa es con frecuencia trivial. Por esta razón, la mayoría de los estudios realizados por espectroscopia atómica se llevan a cabo en disolución.

9 Introducción de la muestra -2 Para las cinco primeras fuentes de atomización, las muestras se introducen en forma de disoluciones (generalmente acuosas) menos frecuentemente en forma de una suspensión de un polvo finamente dividido en un liquido o slurry. En el caso de muestras difíciles de disolver, se han propuesto diversos métodos que permiten introducir la muestra sólida o en forma de polvo finamente dispersado Generalmente, las técnicas de introducción de la muestra sólida son menos reproducibles están más sujetas a errores Se utilizan menos

10 Introducción de muestras en disolución NEBULIZADOR: En un análisis por espectrometría atómica, las muestras generalmente se disuelven en un medio acuoso y se introducen en el atomizador por medio de un nebulizador que transforma el liquido en una fina niebla o aerosol. Nebulizador neumático El tipo más común de nebulizador La muestra líquida es aspirada a través de un capilar por una corriente de gas a elevada presión que fluye alrededor del extremo del capilar (efecto Venturi) aspiración. El gas a elevada velocidad rompe el liquido en finas gotitas de distinto tamaño, que son conducidas al atomizador Nebulizador de flujo cruzado El que el gas a elevada presión cruza perpendicularmente el extremo del capilar Frecuentemente en este tipo de nebulizador, el liquido se bombea a través del capilar

11 Tipos de nebulizadores

12 Introducción de muestras líquidas Nebulizador de Disco fritado La disolución de la muestra se bombea sobre una superficie de vidrio fritado a través de la cual fluye el gas portador Este tipo de nebulizador produce un aerosol mucho más fino que los dos primeros Nebulizador de Babington Consiste en una esfera hueca en la que el gas a elevada presión se bombea a través de un pequeño orificio en la superficie de la esfera El liquido, que cae formando una delgada película sobre la superficie de la esfera, se nebuliza al expandirse el chorro del gas. Muy útil para muestras con elevado contenido salino o suspensiones con contenido de partículas elevado Es el menos expuesto a sufrir obstrucciones

13 OTROS NEBULIZADORES: Nebulizadores ultrasónicos La muestra se bombea sobre la superficie de un cristal piezoeléctrico que vibra a una frecuencia de 20 khz a varios MHz Producen aerosoles más densos y más homogéneos que los nebulizadores neumáticos Nebulizadores electrotérmicos (ETV) Es un evaporador situado en una cámara cerrada a través de la cual un gas inerte, como el Ar, transporta la muestra vaporizada al atomizador Una pequeña muestra líquida o sólida se sitúa sobre un conductor, como un filamento de tántalo o una barra de carbono Una corriente eléctrica evapora la muestra rápida y completamente mezclándose con el argón En contraste con los anteriores nebulizadores, el sistema electrotérmico produce una señal discreta en vez de una señal continua La señal de la muestra atomizada aumenta hasta un máximo y después disminuye hasta cero a medida que la muestra sale del atomizador. Los análisis cuantitativos se realizan a partir de las alturas o áreas de los picos obtenidos.

14 Introducción de muestras sólidas Ventaja: evita la tediosa etapa de disolución Estas técnicas son muy variadas: (1) inserción manual directa del sólido en el dispositivo atomizador (2) vaporización electrotérmica de la muestra y transporte del vapor a la zona de atomización (3) ablación por láser o arco/chispa del sólido para producir un vapor que es arrastrado al interior del atomizado (4) nebulización de una suspensión en la que la muestra solida finamente dividida se conduce al atomizador como un aerosol formado por una suspensión del sólido en un medio liquido (5) el chisporroteo en un dispositivo de descarga luminiscente Ninguno de estos procedimientos produce resultados tan satisfactorios como los de la introducción de la muestra disuelta La mayoría de estas técnicas produce señales analíticas discretas en vez de señales continuas

15 Inserción directa de la muestra La muestra se coloca físicamente dentro del atomizador Pueden reducirse a polvo y situarse sobre o dentro de una sonda que se inserta directamente dentro del atomizador Con frecuencia en los atomizadores de arco o chispa eléctricos, las muestras metálicas se introducen como uno de los electrodos o ambos electrodos utilizados para producir el arco o la chispa

16 Vaporizadores electrotérmicos Se utilizan para varios tipos de muestras sólidas, además de las muestras en disolución. El calentamiento se produce por calentamiento conductivo de la muestra mantenida sobre o dentro de una barra o navecilla de grafito o tántalo Un gas inerte transporta la muestra vaporizada al interior del atomizador

17 Ablación por arco y chispa La interacción de la descarga eléctrica con la superficie de la muestra sólida crea una nube formada por la muestra en forma de partículas y vaporizada, que es transportada al atomizador por medio de un gas inerte Este proceso de introducción de la muestra se denomina ablación. La muestra debe ser conductora de la electricidad o debe mezclarse con un conductor La ablación normalmente se realiza en una atmósfera inerte una corriente de argón Dependiendo de la naturaleza de la muestra, la señal analítica resultante puede ser discreta o continua

18 Ablación por arco y chispa Los arcos y las chispas producen también la atomización excitación de la muestra que puede utilizarse en espectroscopia de emisión En las fuentes de arco y chispa, la excitación de la muestra se produce en el pequeño espacio existente entre un par de electrodos El paso de electricidad entre los electrodos a través de este pequeño espacio proporciona la energía necesaria para atomizar la muestra y producir átomos o iones en estado electrónico excitado Además, una chispa produce un número significativo de iones que se pueden separar y determinar por espectrometría de masas

19 Ablación por láser Es un método relativamente nuevo y versátil para introducir las muestras sólidas en los atomizadores Un haz de láser focalizado de energía adecuada se dirige a la superficie de la muestra sólida, donde se produce la ablación la muestra se convierte en una nube de materia vaporizada y en forma de partículas que es arrastrada al atomizador La ablación por láser es aplicable a sólidos conductores y no conductores, muestras orgánicas e inorgánicas, materiales pulverulentos o metálicos Además el haz de láser focalizado permite el análisis de pequeñas áreas de la superficie de los sólidos

20 Ablación láser La mayoría utiliza un cristal de aluminio-itrio granate dopado con neodimio (Nd:YAG) para generar una radiación de alta intensidad y λ 4 o 5 veces mayor que en UV La radiación incide en la cámara de ablación por donde pasa una purga de He o Ar Calienta rápidamente la muestra

21 Técnica de descarga luminiscente (Glow discharge-gd)-1 El dispositivo de descarga luminiscente (GD) es una fuente versátil que permite introducir y atomizar la muestra simultáneamente La descarga luminiscente tiene lugar en una atmósfera de argón a baja presión (1 a 10 torr) entre un par de electrodos que están a un potencial de 250 a V El potencial causa la descomposición del Ar en iones positivos y electrones El campo eléctrico acelera los iones Ar hacia la superficie del cátodo que contiene la muestra Se produce la expulsión de átomos neutros de la muestra por un proceso denominado chisporroteo La velocidad de chisporroteo llega a valores de hasta 100 µg/min. El vapor atómico producido en una descarga luminiscente esta compuesto por una mezcla de átomos e iones que pueden ser analizados por espectrometría de masas, de absorción o fluorescencia atómicas

22 Técnica de descarga luminiscente (Glow discharge-gd)- 2 Una fracción de las especies atomizadas presentes en el vapor se encuentran en estado excitado La relajación de las especies excitadas produce una descarga de baja intensidad (de ahí el nombre) que puede utilizarse para medidas de emisión óptica Aplicaciones: Análisis de metales y otras muestras conductoras Muestras líquidas y materiales no conductores mezclándolos con un conductor, como polvo de grafito o polvo de cobre puro

23 Atomizadores y sistemas de introducción de muestra: vaporización electrotérmica (muestras sólidas o líquidas), abalación arco, chispa y láser descarga luminescente Emisión: Ablación arco y chispa y láser Descarga luminescente (y absorción)

24 Atomizadores de llama-1 Los atomizadores de llama se emplean en espectroscopia de emisión, absorción y fluorescencia atómica Un mechero típico de flujo laminar comercial utiliza un nebulizador de tubo concéntrico (NEB. NEUMÁTICO) El aerosol, formado por el flujo del gas oxidante, se mezcla con el combustible y pasa a través de una serie de deflectores que eliminan las gotitas de disolución que no sean muy finas la mayor parte de la muestra se recoge en el fondo de la cámara de mezcla, donde se drena hacia un contenedor de desechos

25 Atomizadores de llama-2 El aerosol, el oxidante y el combustible se queman en un mechero provisto de una ranura, que produce una llama de 5 a 10 cm de longitud Los mecheros de flujo laminar proporcionan una llama relativamente estable y larga aumenta la sensibilidad y la reproducibilidad. La cámara de mezcla en este tipo de mechero contiene una mezcla potencialmente explosiva, que se puede prender por el retroceso de la llama, si su caudal es demasiado bajo El mechero de flujo laminar está equipado con unas válvulas para disminuir la presión Los caudales de oxidante y combustible requieren un control preciso Es necesario optimizarlos El combustible y el oxidante se combinan aproximadamente en una proporción estequiométrica En la determinación de metales que forman óxidos estables es conveniente el empleo de una llama que contenga un exceso de combustible

26 Características de funcionamiento de los atomizadores de llama Reproducibilidad: la atomización con llama es superior a todos los demás métodos para la introducción de muestras líquidas tanto para la espectrometría de absorción atómica como de fluorescencia atómica Eficacia de la introducción: en términos de eficacia en la introducción de la muestra y, por ello, de sensibilidad, otros métodos de atomización son claramente mejores. una gran porción de la muestra se pierde por el drenaje el tiempo de residencia de los átomos individuales en el camino óptico en la llama es breve ( 10-4 s)

27 Atomizadores electrotérmicos Los atomizadores electrotérmicos proporcionan una mayor sensibilidad: toda la muestra se atomiza en un periodo muy corto el tiempo promedio de permanencia de los átomos en el camino óptico es de un segundo o más. Los atomizadores electrotérmicos se utilizan para las medidas de: absorción atómica fluorescencia atómica No se aplica a la obtención directa de espectros de emisión Se utiliza para vaporizar las muestras (no atomizar) e introducirlas en dispositivos de emisión de plasma de acoplamiento inductivo

28 Atomización electrotérmica-2 En los atomizadores electrotérmicos, unos pocos microlitros de muestra se someten a las siguientes etapas y manipulaciones Evaporación a baja temperatura Calcinación a una temperatura algo más alta en un tubo de grafito calentado eléctricamente Ignición o calentamiento rápido a una elevada eleva temperatura (2.000 a C) atomización de la muestra de unos pocos milisegundos a segundos Medida de la absorción o la fluorescencia de las especies atomizadas en la zona situada inmediatamente por encima de la superficie calentada

29 Atomización electrotérmica-3 La atomización tiene lugar en un tubo cilíndrico de grafito abierto por ambos extremos tiene un orificio central para la introducción de la muestra mediante una micropipeta El tubo es de unos 5 cm de largo y tiene un diámetro interno de algo menos de 1 cm El tubo intercambiable de grafito se ajusta perfectamente a un par de contactos eléctricos de grafito cilíndricos que se ubican en los dos extremos del tubo Estos contactos se mantienen dentro de una caja metálica refrigerada por agua

30 Atomización electrotérmica-3 Existen dos corrientes de gas inerte: La corriente externa previene la entrada de aire exterior y la consiguiente incineración del tubo La corriente interna fluye entre los dos extremos del tubo y sale por el orificio central del compartimento de muestra elimina el aire y sirve para desalojar los vapores generados a partir de la matriz de la muestra durante las dos primeras etapas de calentamiento

31 aracterísticas del tubo de grafito Tubo con plataforma: denominada plataforma de L'vov La plataforma también es de grafito y se encuentra debajo del orificio de entrada de la muestra La muestra se evapora y se calcina sobre esta plataforma Cuando la T del tubo se eleva rápidamente, la atomización se retrasa, ya que la muestra no está el tiempo suficiente en contacto directo con la pared del horno La atomización tiene lugar en un medio en el que no se produce un cambio tan rápido de temperatura De este modo se obtienen picos más reproducibles

32 aracterísticas del tubo de grafito Porosidad del tubo: A menor porosidad, menos efectos de la matriz de la muestra Mejor reproducibilidad Durante la atomización, parte del analito y de la matriz difunden aparentemente en el tubo el proceso de atomización es más lento Se obtienen señales más bajas del analito Para reducir la porosidad la mayoría de las superficies de grafito se recubren con una delgada capa de carbono pirolítico, que permite sellar los poros del tubo de grafito El grafito pirolítico es un tipo de grafito que se ha depositado capa a capa en un medio altamente homogéneo Se consigue pasando una mezcla de gas inerte y un hidrocarburo como metano a través del tubo mientras se mantiene a una T elevada

33 Señal de salida A la λ a la que tiene lugar la absorción o la fluorescencia, la señal del detector aumenta al máximo algunos segundos después de la ignición y cae rápidamente a cero cuando los productos de la atomización salen fuera El cambio es lo suficientemente rápido (con frecuencia < 1 s) necesita un sistema de adquisición de datos de alta velocidad Los análisis cuantitativos medida de la altura de pico o el área

34 Señal de salida Al atomizar una muestra de 2 µl de zumo de naranja enlatado, se obtuvo la serie de cuatro picos de la derecha, los cuales corresponden a la variación de la absorbancia con el tiempo a la longitud de onda del plomo En la desecación y la calcinación se producen tres picos, que probablemente se deben a productos moleculares de la evaporación y a partículas producidas en la ignición Los tres picos de la izquierda son de los patrones de plomo empleados en la calibración El pico de muestra más a la derecha indica una concentración de plomo en el zumo de 0,1 µg/ml

35 aracterísticas de funcionamiento de s atomizadores electrotérmicos Elevada sensibilidad para pequeños volúmenes de muestra Los límites de detección absolutos se encuentran normalmente en el intervalo de g de analito Bajo consumo de muestra (0,5 y 10 µl) La precisión relativa de los métodos sin llama se encuentra generalmente en el intervalo del 5 al 10 % en llama o plasma 1 % Es método lento requiriendo habitualmente varios minutos por elemento El rango dinámico es pequeño, generalmente < de dos ordenes de magnitud La atomización electrotérmica se aplica sólo cuando la atomización con llama o plasma proporcionan limites de detección inadecuados

36 Análisis de sólidos con atomizadores electrotérmicos En la mayoría de los métodos basados en atomizadores electrotérmicos, las muestras se introducen en forma de disolución Este atomizador se puede utilizar para el análisis directo de muestras sólidas: Insertando un peso conocido de la muestra finamente pulverizada en una navecilla de grafito manualmente en el homo Preparando una suspensión (slurry) de la muestra pulverulenta mediante agitación por ultrasonidos en un medio acuoso. La suspensión se pipetea en el interior del homo para su atomización.

37 Técnicas especializadas de atomización: Descarga luminiscente Un dispositivo de descarga luminiscente produce un vapor atómico que puede llevarse a una celda para realizar medidas de absorción La celda de descarga luminiscente consta de una celda cilíndrica de unos 17 cm de longitud, con un orificio circular de unos 2 cm de diámetro cortado cerca de la mitad del cilindro Una arandela rodea el orificio. La muestra se presiona contra este orificio con un tornillo para sellar el tubo De unos diminutos inyectores, dispuestos en circulo sobre la muestra, salen seis finas corrientes de Ar que inciden de forma hexagonal sobre la superficie de la muestra. El Ar se ioniza por la corriente entre un ánodo, que mantiene los inyectores, y la muestra, que actúa como cátodo Como consecuencia del chisporroteo, se forman

38 Atomizador de descarga luminiscente Los átomos proyectados son succionados por el vacío hacia el eje de la celda, donde absorben la radiación procedente de la fuente del espectrómetro Para que esta técnica sea aplicable, la muestra debe ser: un conductor eléctrico mezclarse con un conductor en polvo, como grafito o cobre finamente molido (pellet). las muestras en disolución también pueden analizarse por deposición sobre un cátodo de grafito, aluminio o cobre. Los límites de detección son inferiores a partes por millón para muestras sólidas con este tipo de dispositivo

39 Generación de hidruros Las muestras en disolución pueden también analizarse por generación de hidruros La atomización de los hidruros requiere únicamente que se calienten en un tubo de cuarzo Elementos que se analizan: As, Se, Sn, Sb, Te

40 La señal es un pico similar al que se obtiene con la atomización electrotérmica. HG Las técnicas de generación de hidruros aumentan la sensibilidad por un factor del 10 a 100 La generación de hidruros volátiles, se produce en general, por la introducción de una disolución acuosa de la muestra en medio ácido, a un pequeño volumen de un reductor fuerte, borohidruro sódico (NaBH 4 ) al 1%, contenido en una cubeta de vidrio Después de mezclarse durante un breve periodo de tiempo, el hidruro que se forma (As + 3H + + 3e AsH 3 ) es arrastrado hasta la cámara de atomización por un gas inerte La cámara es por lo general un tubo de sílice o un tubo de cuarzo en T, calentado a unos cientos de grados en un horno o en una llama La radiación de la fuente pasa a través del tubo hacia el monocromador y el detector

41 Atomización en vapor frío- Hg La técnica de vapor frío es un método de atomización aplicable solamente a la determinación de mercurio ya que es el único elemento metálico que tiene una presión de vapor apreciable a temperatura ambiente La determinación de mercurio en distintos tipos de muestras es de vital importancia, Altamente tóxico Ampliamente distribuido en el medio ambiente El método de elección para su análisis es la vaporización fría seguida de espectrofotometría de absorción atómica

42 Atomización en vapor frío- Hg ETAPAS: Oxidación a Hg 2+ por tratamiento de las muestras con una mezcla oxidante de ácidos nítrico y sulfúrico Reducción del Hg 2+ al metal con SnCl 2 El mercurio elemental es conducido a un tubo de absorción de camino óptico largo burbujeando una corriente de gas inerte a través de la mezcla a partir de la cual se formo el elemento El análisis se completa midiendo la absorbancia a 253,7 nm Se obtienen limites de detección en el rango de las partes por billón

43 Instrumentación para absorción atómica Fuentes de radiación Los métodos analíticos basados en la absorción atómica son muy específicos las líneas de absorción atómica son estrechas (de 0,002 a 0,005 nm) las energías de transición electrónica son únicas para cada elemento Las limitadas anchuras de línea crean un problema que generalmente no se encuentra en la espectroscopia de absorción molecular ya que el cumplimento de la ley de Beer va unido a que la anchura de banda de la fuente sea estrecha respecto a la anchura de un pico de absorción Los monocromadores de la máxima calidad tienen anchuras de banda efectivas que son significativamente mayores que la anchura de las líneas de absorción atómica En consecuencia, al hacer medidas de absorbancia atómica utilizando un espectrofotómetro normal equipado con una fuente de radiación continua se obtienen curvas de calibrado no lineales las pendientes de las curvas de calibrado obtenidas con dicho equipo son pequeñas solo una pequeña fracción de la radiación procedente de la rendija del monocromador es absorbida por la muestra se obtienen sensibilidades bajas.

44 Lámpara de vapor de sodio-1 El problema creado por la limitada anchura de los picos de absorción atómica se ha resuelto empleando fuentes de líneas con anchuras de banda aun más estrechas que los picos de absorción Utilizando el propio metal en la fuente para que emita a una determinada λ Por ejemplo, si se elige la línea del sodio de 589,6 nm para el análisis de absorción de este elemento, se utiliza la radiación correspondiente a un pico de emisión del sodio a esta misma longitud de onda Fuente: una lámpara de vapor de sodio en la que los átomos de sodio se excitan con una descarga eléctrica En la fuente el ensanchamiento por efecto Doppler de las líneas emitidas debe sea menor que el ensanchamiento del pico de absorción que tiene lugar en la llama o en otro atomizador Para ello, la T de la fuente se mantiene por debajo de la de la llama

45 Lámpara de vapor de sodio-2 (a) Espectro de emisión de una fuente de lámpara atómica típica, consta de cuatro líneas estrechas Con un filtro o monocromador adecuado, se eliminan todas las líneas excepto una (b) Espectro de absorción del analito entre las longitudes de onda λ 1 y λ 2 la anchura de banda de absorción es significativamente mayor que la del pico de emisión (c) al pasar la línea que proviene de la fuente a través de la llama se reduce su intensidad de P 0 a P A viene dada por log (P 0 /P), que se relaciona linealmente con la concentración del analito en la muestra. Un inconveniente de esta técnica es la necesidad de una lámpara distinta para cada elemento (o a veces grupo de elementos)

46 ámpara de cátodo hueco La fuente mas común: Ánodo de wolframio Cátodo cilíndrico cerrado herméticamente en un tubo de vidrio lleno con neón o argón a una presión de 1 a 5 torr El cátodo esta construido con el metal cuyo espectro se desea obtener, o bien, sirve de soporte para una capa de dicho metal Cuando se aplica un potencial del orden de 300 V entre los electrodos se produce la ionización del gas inerte, lo que da lugar a una corriente de aproximadamente 5 a 15 ma al tiempo que los iones y electrones migran hacia los electrodos Si el potencial es lo suficientemente grande, los cationes gaseosos adquieren la suficiente energía cinética como para arrancar algunos de los átomos metálicos de la superficie del cátodo y producir una nube atómica; a este proceso se le denomina chisporroteo. Una parte de los átomos metálicos desprendidos se encuentran en estado excitado y, de este modo, al volver al estado fundamental emiten su radiación característica Al final, los átomos metálicos se vuelven a depositar difundiendo de nuevo hacia la superficie del cátodo o hacia las paredes de vidrio del tubo.

47 Lámpara de cátodo hueco-2 La configuración cilíndrica del cátodo tiende a concentrar la radiación en una región limitada del tubo metálico aumenta también la probabilidad de que la redeposición se produzca preferentemente en el cátodo y no sobre las paredes de vidrio La eficacia de la lámpara de cátodo hueco depende de su geometría y del potencial aplicado Los potenciales elevados y, por consiguiente, las corrientes elevadas originan intensidades de radiación mayores Pero también aumenta del ensanchamiento por efecto Doppler de las líneas de emisión Las corrientes mayores provocan un aumento del numero de átomos no excitados en la nube Los átomos no excitados, a su vez, son capaces de absorber la radiación emitida por los átomos excitados (autoabsorción) reduce la intensidad, sobre todo en el centro de la banda de emisión

48 Lámparas de descarga sin electrodos (EDL) Producen intensidades radiantes que son uno o dos ordenes de magnitud superiores a las lámparas de cátodo hueco Constituida por un tubo de cuarzo herméticamente cerrado que contiene un gas inerte, como el argón, a unos pocos torr y una pequeña cantidad del metal (o su sal) cuyo espectro se desea obtener No contiene electrodos, se activa con un campo intenso de radiofrecuencia o radiación de microondas El Ar se ioniza, y los iones son acelerados por la componente de radiofrecuencia del campo hasta que adquieren la suficiente energía para excitar a los átomos del metal cuyo espectro se desea Existen lámparas de descarga sin electrodos comercializadas para 15 o

49 Modulación de la fuente- 1 En un instrumento de absorción atómica típico es necesario eliminar las interferencias producidas por la emisión de radiación en la llama La mayor parte de la radiación que se emite se elimina mediante el monocromador Sin embargo, también desde la llama también se emite a la λ seleccionada por el monocromador SOLUCIÓN: Modulación de la radiación de la fuente para que su intensidad oscile a una frecuencia constante El detector recibe dos tipos de señal, una alternante de la fuente y otra continua que proviene de la llama Estas señales se convierten en las correspondientes respuestas eléctricas Para eliminar la serial de corriente continua no modulada y dejar pasar la señal de corriente alterna para su amplificación, se puede utilizar un simple filtro RC de paso alto

50 Modulación de la fuente- 2 Una forma sencilla y muy efectiva de modular la emisión de la fuente es interponer entre la fuente y la llama un disco metálico circular, en el que se le han eliminado de forma alterna sectores circulares La rotación del disco a velocidad constante conocida proporciona un haz intermitente cortado a la frecuencia deseada

51 Espectrofotómetros para AAS

52 Interferencias en AAS En los métodos de absorción atómica se presentan dos tipos de interferencias: Interferencias espectrales se producen cuando la absorción o emisión de una especie interferente se solapa o aparece muy próxima a la absorción o emisión del analito El monocromador no puede resolver este solapamiento de señales Interferencias químicas se producen como consecuencia de diversos procesos químicos que ocurren en la llama durante la atomización y que alteran las características de absorción del analito

53 Interferencias espectrales- 1 Las líneas de emisión de las fuentes de cátodo hueco son muy estrechas Esta interferencia es rara Para que exista esta interferencia, la separación entre las dos líneas tendría que ser menor de 0,1 Å Ejemplo: la línea del vanadio a 3.082,11 Å interfiere con la línea de absorción del aluminio a 3.082,15 Å Esta interferencia se evita fácilmente utilizando la línea del aluminio a 3.092,7 Å

54 Interferencias espectrales- 1 También se producen debido a la presencia de productos de combustión que poseen bandas de absorción anchas, o de productos en forma de partículas que dispersan la radiación Ambos disminuyen la potencia del haz transmitido y dan lugar a errores analíticos positivos Cuando la procedencia de estos productos es la mezcla de combustible y oxidante, se puede realizar fácilmente la corrección midiendo la absorbancia de un blanco Esta corrección es necesaria tanto en los instrumentos de haz sencillo como en los de doble haz, ya que en estos últimos el haz de referencia no pasa a través de la llama

55 Interferencias espectrales-2 Cuando la absorción o dispersión se debe a la matriz de la muestra, el problema es más complicado En este caso, la potencia del haz transmitido, P, se reduce por la presencia de los componentes de la matriz, mientras que la potencia del haz incidente, P 0, no resulta afectada Se produce un error positivo en la absorbancia y, por consiguiente, en la concentración Ejemplo: Absorción en la determinación de bario en mezclas de elementos alcalinotérreos La λ de la línea del bario utilizada para su análisis por AAS aparece en el centro de una banda ancha de absorción correspondiente al CaOH En estas condiciones interferirá el calcio La interferencia se elimina sustituyendo el aire por oxido nitroso como oxidante, produce una llama de mayor T capaz de descomponer el CaOH y eliminar la banda de absorción

56 Interferencias espectrales-3 La interferencia espectral debida a la dispersión por los productos de la atomización se produce más frecuentemente cuando se aspiran en la llama disoluciones concentradas que contienen elementos como Ti, Zr y W, que forman óxidos refractarios se forman partículas de óxidos metálicos, cuyos diámetros son mayores que la longitud de onda de la luz, lo que origina una dispersión del haz incidente La interferencia debida a la dispersión también puede ser un problema cuando la muestra contiene especies orgánicas o cuando se utilizan disolventes orgánicos para disolver la muestra En este caso, la combustión incompleta de la matriz orgánica deja partículas carbonosas que son capaces de dispersar la luz

57 Interferencias espectrales-3 Eliminación de estas interferencias En la atomización con llama, las interferencias espectrales que provienen de los componentes de la matriz no siempre se producen, y con frecuencia se pueden evitar: Modificando los parámetros analíticos, como la T y la relación combustible/oxidante Si se conoce la causa de la interferencia, se puede añadir un exceso de la sustancia interferente tanto a la muestra como a los patrones Si el exceso añadido a la muestra patrón es grande con respecto a su concentración en la matriz de la muestra, la contribución de ésta última será insignificante La sustancia añadida se denomina a veces amortiguador de radiación

58 Eliminación de interferencias espectrales debidas a componentes de la matriz- 1 Método de corrección de las dos líneas Utiliza una línea que proviene de la fuente de radiación como referencia. Esta línea debería estar lo más próxima posible a la línea del analito, pero no debe ser absorbida por este. Si se reúnen estas condiciones, se supone que cualquier disminución en la potencia de la línea de referencia respecto a lo observado durante la calibración se debe a la absorción o dispersión por los componentes de la matriz de la muestra. Se puede corregir la absorbancia de la línea del analito. La línea de referencia puede deberse a una impureza en el cátodo de la lámpara, a una línea del neón o argón que contiene la lámpara, o a una línea de emisión no resonante del elemento que se analiza. No siempre se dispone de una línea de referencia adecuada.

59 Eliminación de interferencias espectrales debidas a componentes de la matriz -2 Método de corrección con fuente continua Se utiliza una lámpara de deuterio como fuente de radiación continua en toda la región ultravioleta La configuración del cortador se modifica para que la radiación de la fuente continua y la de la lámpara de cátodo hueco pasen alternadamente a través del atomizador de tubo de grafito La absorbancia de la radiación de deuterio se resta entonces de la del haz del analito La anchura de rendija se ajusta con un ancho suficiente para que la fracción de radiación de la fuente continua que se absorbe por los átomos de la muestra sea despreciable La atenuación de la potencia de la radiación continua durante el paso a través de la muestra atomizada indica solamente la absorción de banda ancha o la dispersión producida por los componentes de la matriz de la muestra

60 Eliminación de interferencias espectrales debidas a componentes de la matriz -3 Corrección basada en el efecto Zeeman Cuando un vapor atómico se expone a un intenso campo magnético ( 10 kg), se produce un desdoblamiento de los niveles de energía electrónicos de los átomos diversas líneas de absorción para cada transición electrónica. Estas líneas están separadas unas de otras en unos 0,01 nm, siendo la suma de las absorbancias de estas líneas exactamente igual a la de la línea de la cual proceden. Este fenómeno, común para todos los espectros atómicos, se denomina efecto Zeeman. En función del tipo de transición electrónica implicada en el proceso de absorción existen diversos modelos de desdoblamiento: El modelo más sencillo, transiciones singulete, conduce a una línea central o línea π y dos líneas satélites σ igualmente espaciadas. La línea central, que coincide con la longitud de onda original, tiene una absorbancia doble que la de cada línea σ. En transiciones más complejas, se producen desdoblamientos adicionales de las líneas π y σ.

61 Eliminación de interferencias espectrales debidas a componentes de la matriz -4 Corrección basada en el efecto Zeeman La aplicación del efecto Zeeman en los instrumentos de absorción atómica se basa en la distinta respuesta a la radiación polarizada de los dos tipos de picos de absorción. El pico π absorbe solamente la radiación que esta polarizada en un plano paralelo al campo magnético externo Los picos σ solo absorben la radiación polarizada a 90 grados respecto al campo.

62 Corrección basada en el efecto Zeeman-5 La Figura muestra un instrumento de absorción atómica electrotérmica, que utiliza el efecto Zeeman para la corrección del fondo. La radiación no polarizada de una fuente de cátodo hueco ordinaria A pasa a través de un polarizador rotatorio B, que separa el haz en dos componentes polarizados en pianos a 90 grados uno del otro C. Estos haces pasan por un homo de grafito rodeado por un imán permanente de 11 kg que desdobla los niveles de energía originando los tres picos de absorción que se indican en D. El pico central solo absorbe la radiación polarizada en el plano del campo. De este modo, durante la parte del ciclo en que la radiación de la fuente esta polarizada de la misma forma, se produce la absorción de radiación por el analito. En la otra mitad del ciclo, el analito no absorbe radiación. Sin embargo, en ambos ciclos tiene lugar la absorción molecular de banda ancha y la dispersión por los productos de la matriz y, así, se produce un modelo de absorbancia cíclico como el indicado en F. El sistema de tratamiento de datos se programa para restar la absorbancia correspondiente a la parte perpendicular del ciclo de la que se produce en la parte paralela del ciclo, y, de este modo, se obtiene un valor corregido del fondo.

63 Corrección basada en el efecto Zeeman-6 Existe un segundo tipo de instrumento que utiliza el efecto Zeeman, en el que un imán rodea la fuente de cátodo hueco. En este caso, se desdobla el espectro de emisión de la fuente en lugar del espectro de absorción de la muestra. Esta configuración de instrumento proporciona una corrección análoga. Los instrumentos con efecto Zeeman permiten una corrección más exacta del fondo que los métodos descritos anteriormente. Estos instrumentos son especialmente útiles en atomizadores electrotérmicos y permiten la determinación directa de elementos en muestras como orina y sangre. En estas muestras la descomposición de la materia orgánica conduce a grandes correcciones del fondo y, por consiguiente, a la posibilidad de errores significativos

64 Corrección del fondo basada en una fuente con autoinversión Una forma extraordinariamente simple de corrección del fondo, que ofrece ventajas análogas al efecto Zeeman es el método Smith-Hieftje de corrección del fondo,. Se basa en la autoinversión o autoabsorción de la radiación de las lámparas de cátodo hueco cuando se les aplican corrientes elevadas. Las corrientes elevadas producen una gran concentración de átomos no excitados, los cuales son capaces de absorber la radiación emitida por las especies excitadas. Un efecto adicional de las corrientes elevadas es el gran ensanchamiento que originan en las bandas de emisión de las especies excitadas. El efecto neto produce una banda con un mínimo en su centro, que corresponde exactamente a la longitud de onda del pico de absorción. A fin de obtener absorbancias corregidas, se programa la lámpara para funcionar alternadamente con bajas y altas corrientes. La absorbancia total se obtiene cuando se opera a bajas corrientes, y la absorbancia debida al fondo resulta de las medidas en la segunda parte del ciclo Cuando la radiación en el pico de absorción esta en un mínimo. El sistema de tratamiento de datos resta entonces la absorbancia del fondo de la total para

65 Interferencias químicas Las interferencias químicas son más comunes que las espectrales. Frecuentemente sus efectos pueden minimizarse escogiendo las condiciones de trabajo adecuadas. Existen evidencias teóricas y experimentales que indican que muchos de los procesos que suceden en el seno de la llama están próximos al equilibrio. Consecuentemente, es posible considerar a los gases que se queman como un medio disolvente, al que se puede aplicar cálculos termodinámicos. Los equilibrios de mayor interés son: formación de compuestos de baja volatilidad reacciones de disociación/asociación reacciones de ionización.

66 Compuestos de baja volatilidad El tipo más común de interferencia es probablemente el producido por aniones que forman compuestos de baja volatilidad con el analito y reducen así su velocidad de atomización Ello origina resultados menores que los esperados Ejemplo: disminución de la absorbancia del calcio observada a medida que aumenta la concentración de sulfato o fosfato. Para una concentracion fija de calcio, la absorbancia disminuye de forma casi lineal con el aumento de las concentraciones de sulfato o fosfato hasta que la relación anión/calcio es de aproximadamente 0,5. En estas condiciones la absorbancia es aproximadamente del 30 al 50 por 100 de su valor original y se hace independiente de la concentracion del anión.

67 Interferencias de cationes El aluminio disminuye los resultados en la determinación de magnesio, aparentemente como consecuencia de la formación de un compuesto termoestable de aluminio y magnesio (quizás un oxido). En muchas ocasiones pueden eliminarse o atenuarse las interferencias debidas a la formación de especies poco volátiles aumentando la temperatura. También se pueden emplear agentes liberadores, que son cationes que reaccionan preferentemente con el interferente e impiden su interacción con el analito. Por ejemplo, la adición de un exceso de iones estroncio o lantano minimiza la interferencia del fosfato en la determinación del calcio. Estas mismas especies químicas se han utilizado también como agentes protectores para la determinación del magnesio en presencia de aluminio. En ambos casos, el estroncio o el lantano reemplazan al analito en los compuestos que forma con la especie interferente

68 Agentes protectores Impiden las interferencias formando con el analito especies estables volatiles. Existen tres reactivos que por lo general se utilizan con este fin: EDTA 8-hidroxiqui-nolina APDC (sal de amonio del acido 1-pirrolidinacarboditioico). Se ha demostrado que la presencia del EDTA elimina las interferencias del aluminio, silicio, fosfato y sulfato en la determinación del calcio. De manera semejante, la 8-hidroxiquinolina elimina la interferencia del aluminio en la determinación del calcio y del magnesio.

69 Equilibrios de disociación En el medio gaseoso y caliente de una llama o de un horno, numerosas reacciones de disociación y asociación provocan la conversión de los constituyentes metálicos a su estado elemental. Parece probable que al menos algunas de estas reacciones sean reversibles y que se les pueda aplicar las leyes de la termodinámica. En consecuencia debería ser posible formular equilibrios como MO = M + O M(OH) 2 = M + 20H En la práctica, no se conoce lo suficiente sobre la naturaleza de las reacciones químicas que suceden en la llama como para realizar un tratamiento cuantitativo similar al que se hace en disolución acuosa. En su lugar, debe confiarse en las observaciones empíricas.

70 Las reacciones de disociación en las que intervienen óxidos e hidróxidos metálicos juegan un papel importante en la determinación de la naturaleza de los espectros de emisión o absorción de un elemento. Por ejemplo, los óxidos de los elementos alcalinotérreos son relativamente estables, con energías de disociación mayores de 5 ev. Las bandas moleculares que se producen por la presencia de óxidos o hidróxidos metálicos en la llama constituyen una característica importante de sus espectros Excepto a temperaturas muy altas, estas bandas son mas intensas que las líneas de los átomos o iones. Por el contrario, los óxidos e hidróxidos de los metales alcalinos se disocian mucho más fácilmente, por lo que las intensidades de las líneas de estos elementos son elevadas, incluso a temperaturas relativamente bajas

71 Iones diferentes al oxígeno Pueden tener también influencia en la absorción y emisión de llama. Por ejemplo, la intensidad de la línea del sodio se reduce notablemente por la presencia de HCl. Una posible explicación es el efecto de acción de masas sobre el equilibrio NaCl = Na + Cl Los átomos de cloro que se forman a partir del HCl añadido disminuyen la concentracion de átomos de sodio y, por tanto, la intensidad de la línea. Otro ejemplo de este tipo de interferencia consiste en el aumento de la absorción por el vanadio en presencia de aluminio o titanio. La interferencia es mucho mas intensa en las llamas ricas en combustible que en las pobres.

72 Vanadio+Al ó Vanadio+Ti Otro ejemplo de este tipo de interferencia consiste en el aumento de la absorción por el vanadio en presencia de aluminio o titanio. La interferencia es mucho mas intensa en las llamas ricas en combustible que en las pobres. Hay que suponer que los tres metales interaccionan con especies como el O y el OH, que siempre están presentes en las llamas. Si las especies que contienen oxigeno se representan como Ox, se pueden postular una serie de reacciones de equilibrio VOx = V + Ox AlOx = Al + Ox TiOx = Ti + Ox En las mezclas de combustión ricas en combustible, la concentración de Ox es lo suficientemente pequeña como para que su concentracion disminuya de forma notable cuando la muestra contiene aluminio o titanio. Esta disminución hace que el primer equilibrio se desplace hacia la derecha, con el consiguiente aumento de la concentracion de metal, así como de la absorbancia.

73 Equilibrios de ionización En las mezclas de combustión que contienen aire como oxidante, la ionización de los átomos y moléculas es pequeña y, por lo general, puede despreciarse. Sin embargo, en las llamas de temperaturas más elevadas en las que el oxidante es el oxigeno o el oxido nitroso, la ionización es más importante, y hay una concentracion notable de electrones libres como consecuencia del equilibrio: M = M + + e - donde M representa a un átomo o molécula neutros y M + su ion. Se consideran fundamentalmente los equilibrios en los que M es un átomo metálico. Si está presente en la llama otro ion que se disocia más fácilmente que M: La concentración de electrones en el medio dependerá de la presencia de [B + ] y [M + ] Luego al aumentar [B + ] disminuiría la concentración [M + ], que se

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76 Preparación de la muestra Una desventaja de los métodos espectroscópicos de llama es el requisito de que la muestra se debe introducir en la fuente de excitación disuelta, por lo general en agua. Muchos materiales de interés, no son directamente solubles en los disolventes habituales : Suelos Tejidos animales Plantas Derivados del petróleo Minerales Con frecuencia requieren un tratamiento previo laborioso para obtener una disolución del analito adecuada para la atomización. De hecho, las etapas de descomposición y disolución a menudo consumen más tiempo e introducen más errores que la propia medida espectroscopica.

77 Descomposición de la muestra La descomposición de materiales requiere por lo general tratamientos drásticos: Altas temperaturas posible pérdida de analito por volatilización o en forma de aerosoles en el humo. Los reactivos utilizados en la descomposición de la muestra, con frecuencia introducen interferentes químicos y espectrales Además, el analito puede estar presente en estos reactivos como una impureza Puede ocurrir, en el análisis de trazas que los reactivos introduzcan más elementos de interés que las propias muestras. Errores importantes incluso con correcciones del blanco.

78 Métodos de descomposición Los métodos más habituales para la descomposición y disolución de las muestras en los métodos de absorción atómica son: Tratamiento con ácidos minerales en caliente Oxidación con reactivos líquidos como ácidos sulfúrico, nítrico o perclórico (digestión húmeda) Combustión en una bomba de oxigeno o en otro recipiente para evitar perdidas del analito Fusión a elevada temperatura con reactivos como óxido bórico, carbonato sádico, peroxido sódico o pirosulfato potásico