Técnicas analíticas para la determinación de arsénico: Espectrometría atómica Proyecto Arsénico II

Transcripción

1 Problemática y alternativas tecnológicas para la remoción de arsénico en la obtención de agua potable Técnicas analíticas para la determinación de arsénico: Proyecto Arsénico II

2 Espectroscopía La espectroscopía es el estudio e interpretación de los espectros. El fundamento básico es que un haz de radiación electromagnética (REM) interacciona con un átomo o molécula e induce transiciones entre sus niveles de energía. Cualquier método espectroscópico se basa en la interacción entre la REM (región visible y ultravioleta del espectro) y la materia (átomos libres).

3 Espectroscopía Al emitir o absorber un cuanto de energía los electrones cambian de estado, en la espectroscopía de absorción pasan de un estado fundamental a otro excitado mientras que en la de emisión pasan del activado al fundamental. Absorción + hν Estado basal fotón Estado excitado

4 Espectroscopía Emisión Técnicas analíticas para la determinación de arsénico: + hν Fotón Estado excitado Estado basal Si los electrones que experimentan la interacción son los electrones externos, el átomo emite o absorbe energía en el ultravioleta o el visible. Si son los electrones internos, emite rayos X.

5 1 nm=1x10-9 m

6 Espectrometría de absorción atómica de flama (FAAS) La técnica AAS se basa en el principio de que los átomos libres en estado fundamental pueden absorber la luz a una cierta longitud de onda. La absorción es específica, ya que cada elemento absorbe a longitudes de onda únicas. Las muestras son atomizadas por medio de una llama o por métodos electrotérmicos. En ambos casos, la energía térmica es utilizada para vaporizar la muestra y romper los enlaces químicos de las moléculas.

7 Espectrometría de absorción atómica de flama (FAAS) Ley de Lambert Beer Cuando una onda electromagnética de longitud de onda definida incide sobre una sustancia, la fracción de la radiación absorbida en la trayectoria de la luz, es una función de la concentración de la sustancia

8 Espectrometría de absorción atómica de flama (FAAS) Ecuación: A = a. b. c A = Absorbancia, representa la señal analítica obtenida en la medición. a = Absortibidad, es una constante específica para una longitud de onda y un elemento dado b = Paso de la luz (paso óptico recorrido por la radiación). c = Concentración

9 Espectrometría de absorción atómica de flama (FAAS) Fuente de radiación Atomizador Monocromador PMT Lectura y procesamiento de datos Componentes esenciales de un espectrómetro de absorción atómica

10 Espectrometría de absorción atómica de flama (FAAS) Introducción de muestra: Nebulizador, transforma las muestras líquidas en una fina niebla o aerosol. Atomizador: Flama, la energía térmica es utilizada para vaporizar la muestra y romper los enlaces químicos de los componentes de las moléculas. Los típicos gases utilizados en FAAS son aireacetileno y óxido nitroso-acetileno. Fuente de radiación: Lámpara de cátodo hueco (HCL) Monocromador: aísla la longitud de onda de interés (longitud de onda analítica).

11 Espectrometría de absorción atómica de flama (FAAS) Detector: Tubo fotomultiplicador (PMT), convierte la señal de luz en una señal eléctrica. Ésta es proporcional a la intensidad de la radiación. Lectura y procesamiento de datos: la señal es procesada y convertida a una lectura digital. Por cada señal analítica de absorbancia, se hacen dos mediciones, la intensidad del haz de radiación incidente (Io), y la intensidad del haz de radiación transmitido (It). La razón de las dos intensidades se empleará para definir la absorbancia.

12 Espectrometría de absorción atómica de flama (FAAS) Lámpara de cátodo hueco (HCL) Cátodo Ánodo Ventana de cuarzo El cátodo contiene el elemento a analizar. La lámpara tiene un gas inerte, como neón o argón. Cuando se aplica alimentación (200 volts) a la HCL, una chispa de descarga empieza el proceso de emisión de partícula. Los átomos del gas se ionizan y son acelerados a la superficie negativa del cátodo, donde la colisión causa desprendimiento de átomos del analito, los cuales al colisionar con átomos de gas que están ionizados quedan excitados. Los átomos excitados entonces emiten fotones, que dan el espectro característico del elemento del analito.

13 Espectrometría de absorción atómica de flama (FAAS)

14 Espectrometría de absorción atómica de flama (FAAS) Ventajas: Fácil de usar, rápido, costo de inversión bajo, robusto y compacto. Desventajas: Su sistema de introducción de muestra, que es una cámara de nebulización neumática, tiene una baja eficiencia de transporte del analito (1-5%), consumo alto de muestra, efectos de memoria, etc. Límite de detección con la técnica FAAS para la determinación de arsénico: partes por millón (aprox. 0.3 mg L -1 ).

15 Espectrometría de absorción atómica de flama (FAAS) Es una de las principales herramientas de la química analítica: Amplia aplicación en el análisis de metales (70-80 elementos) 1953: Se fabrica el primer espectrofotómetro de absorción atómica. Fuente: NMSU, Department of Chemistry and Biochemistry.

16 Espectrometría de absorción atómica con generación de hidruros (HG-AAS) Generación de hidruros Proceso químico que produce hidruros volátiles por la adición de un agente reductor en medio ácido. E=Elemento NaBH 4 + H 2 O + HCl H 3 BO 3 + NaCl + 8H + EH n (g) + H 2 (g) Elementos como el As, Se, Sb, Bi, Ge, Pb, Te y Sn pueden formar sus hidruros correspondientes a temperatura ambiente: AsH 3, H 2 Se, SbH 3. Elemento Hidruro Punto de fusión ( C ) As AsH Punto de ebullición ( C )

17 Espectrometría de absorción atómica con generación de hidruros (HG-AAS) Muestra HCl Reactor Separador Detector Reductor Hidruro Generado Desagüe Sistema de introducción de muestra por inyección en flujo

18 Espectrometría de absorción atómica con generación de hidruros (HG-AAS) El NaBH 4 es el agente reductor más utilizado, ya que proporciona una mayor rapidez de reacción, una alta eficacia de conversión y blancos bajos. Las especies volátiles formadas (el hidruro volátil y el gas hidrógeno) son separadas de la fase líquida (disolución) a través de un separador gas-líquido con un gas portador (argón), y luego transportadas al atomizador.

19 Espectrometría de absorción atómica con generación de hidruros (HG-AAS) Gas portador Entrada de disoluciones Salida del hidruro Residuo Separador gas-líquido tipo U

20 Espectrometría de absorción atómica con generación de hidruros (HG-AAS) Entrada de disoluciones Salida del hidruro Entrada del gas portador Residuo Separador gas-líquido de tubo concéntrico

21 Espectrometría de absorción atómica con generación de hidruros (HG-AAS) Ventajas Alta eficiencia de producción de especies volátiles y de su transporte Desventajas Sistema complejo, involucra reacciones en línea Óptima separación de las fases, evitando efectos de matriz Automatización en sistemas por inyección en flujo y continuo Alta frecuencia de análisis Bajos límites de detección (partes por billón, g L -1 ) Rangos lineales limitados Aplicación a un número limitado de analitos Capacidad limitada para el análisis multielemental Requiere optimización de numerosos parámetros químicos e instrumentales Económicamente accesible

22 Espectrometría de absorción atómica electrotérmica (ET-AAS) Esta técnica es esencialmente la misma que la FAAS. El nebulizador y el quemador de una flama pueden ser reemplazados por un atomizador electrotérmico (horno de grafito, tubo de carbón o filamentos de tungsteno. El más utilizado es el horno de grafito (GF). Esquema de un típico sistema GF-AAS

23 Espectrometría de absorción atómica electrotérmica (ET-AAS) Se inyecta un volumen de muestra (5-50 µl) en un pequeño tubo de grafito (2 3 cm 5 10 mm), que es calentado en varias etapas: 1-Secado (110 C) 2-Descomposición o incineración ( C) 3-Atomización ( C)

24 Espectrometría de absorción atómica electrotérmica (ET-AAS) La duración de cada etapa y las temperaturas óptimas dependen del analito. Tiempo estimado de análisis: 1-3 min. Las altas temperaturas alcanzadas aumentan la eficiencia de atomización, y aunado a un mayor tiempo de residencia en el tubo de grafito, hacen que el límite de detección se mejore hasta 1000 veces, en comparación con el de la FAAS. 1974: Aparece el horno de grafito como atomizador.

25 Ventajas: Técnicas analíticas para la determinación de arsénico: Espectrometría de absorción atómica electrotérmica (ET-AAS) -Alta sensibilidad con respecto a la FAAS: es de tres órdenes de magnitud (µg L -1 ). -Volumen de muestra pequeño -Compacto y de costo de inversión moderado

26 Espectrometría de absorción atómica electrotérmica (ET-AAS) Desventajas: -Menor frecuencia de análisis -Rango lineal limitado -Pérdidas por volatilización durante la etapa de incineración (As y Hg). Esto último puede evitarse utilizando un modificador de matriz, como sales de Ni y Pd -Formación de residuos de carbón en el tubo de grafito - Interferencias químicas y espectrales

27 Espectrometría de fluorescencia atómica (AFS) La técnica AFS es una técnica de emisión, por lo que requiere una fotoexcitación previa del vapor atómico. La activación o excitación de los átomos del analito, seguida de la desactivación con la consecuente emisión de la radiación fluorescente, puede tener lugar a la misma longitud de onda. Esto se conoce como fluorescencia resonante. El contenido del analito de interés presente en la muestra puede ser determinado en función de la intensidad de la fluorescencia atómica.

28 Espectrometría de fluorescencia atómica (AFS) El proceso básico de fluorescencia atómica consiste en: 1- Creación de átomos libres de la muestra 2- Absorción de la radiación por parte de los átomos libres 3- Emisión de la radiación cuando los átomos (electrones exteriores) regresan del estado excitado a un nivel de energía menor, que generalmente es el estado basal. Emite en la región visible y ultravioleta ( nm).

29 Celda de atomización Lámpara de doble descarga Lente Lente Filtro Fotomultiplicador Amplificador Lectura y Procesamiento de Datos Esquema de un equipo de fluorescencia atómica

30 Espectrometría de fluorescencia atómica (AFS) La fuente de radiación o excitación se coloca en el mismo eje óptico que el atomizador, y envía el haz de luz en el rango de la longitud de onda del elemento a medir. La luz pasa a través de un filtro de excitación o lente que transmite específicamente la longitud de onda de excitación del analito y bloquea el resto. El haz incide en los átomos y los excita. La radiación emitida por éstos pasa a través del filtro de emisión, que forma un ángulo recto con el haz incidente para minimizar el efecto scattering.

31 Espectrometría de fluorescencia atómica (AFS) La señal de fluorescencia es directamente proporcional a la intensidad de la radiación que excita la muestra. 1964: Se realiza la primera aplicación analítica de la AFS para determinación de zinc, cadmio y mercurio.

32 Espectrometría de fluorescencia atómica (AFS) En AFS, la luz de la fuente de radiación no cae sobre el detector, de modo que se puede usar cualquier fuente de radiación de cualquier ancho de línea. Esto asegura la máxima absorción de energía por parte de los átomos, incrementando el número de átomos excitados y por lo tanto, la señal de fluorescencia.

33 Espectrometría de fluorescencia atómica (AFS) Fuentes de radiación -Lámparas de cátodo hueco (HCLs) -Lámparas de doble descarga de cátodo hueco (BDHCLs) -Lámparas de descarga sin electrodos (EDLs) -Plasmas acoplados inductivamente (ICPs) -Láseres. La fuente de radiación se coloca en el mismo eje óptico que el atomizador en el cual se produce la nube de átomos.

34 Espectrometría de fluorescencia atómica (AFS) Ánodo Descarga normal en HCLs Cátodo cilíndrico Mayoría de átomos excitados Emisor de electrones Descarga auxiliar Lámpara de tipo BDHCL (lámpara de doble descarga de cátodo hueco). Proporcionan una mayor intensidad que las HCLs (10 veces más), y tienen una vida útil mayor que las EDLs (lámparas de descarga sin electrodos).

35 Espectrometría de fluorescencia atómica (AFS) Lámpara de tipo BDHCL - Se lleva a cabo una primera descarga entre el cátodo y el ánodo para producir átomos del elemento de interés (como en las HCLs) - Se realiza una segunda descarga entre un emisor de electrones y el ánodo, que pasa a través de la primera nube de átomos. - Esta segunda descarga garantiza que la mayoría de los átomos cercanos al cátodo estén excitados, disminuyendo así la auto-absorción.

36 Espectrometría de fluorescencia atómica (AFS) Celda de atomización Lámpara h h AFS Ar H 2 Hidruro volátil El atomizador puede ser una llama, una cámara de grafito o un ICP de baja potencia.

37 Espectrometría de fluorescencia atómica (AFS) La fluorescencia resultante de la desactivación de los átomos producidos en el atomizador se mide normalmente en un eje que forma un ángulo de 90 con el haz incidente. El detector es un tubo fotomultiplicador (PMT). La instrumentación incluye además fuentes de alimentación de corriente, un registrador integrador o computadora, para el registro y tratamiento de datos.

38 Espectrometría de fluorescencia atómica (AFS) Ecuación básica del análisis cuantitativo: IF = Φ I 0 A KLN Donde: IF = Intensidad de fluorescencia, representa la señal analítica obtenida en la medición. Φ = Eficiencia cuántica de la fluorescencia atómica. Io = Intensidad de la luz incidente A = Área irradiada por la fuente de luz K= Coeficiente de absorción L = Longitud óptica de absorción N = Densidad atómica

39 Espectrometría de fluorescencia atómica (AFS) Ventajas: -Alta sensibilidad analítica, de ppb ( g L-1) a ppt (ng L-1) para As. -Rango lineal más amplio que la AAS -Menores interferencias espectrales (usando fuentes de líneas), que en AAS, AES e ICP-MS -Costo de inversión bajo Desventajas: -Aplicación limitada a los elementos que generan hidruros.

40 MUCHAS GRACIAS!

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49 Cuáles elementos? Cuántas muestras? Cuál técnica utilizar? FAAS HG-AAS GF-AAS HG-AFS ICP-OES ICP-MS A qué niveles? Cuánta muestra tengo?

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