Atomová absorpční spektroskopie

Aby bylo možné analyzovat vzorek na přítomnost jeho atomárních složek, musí být atomizován. V současné době se nejčastěji používají atomizátory s plamenem a elektrotermické atomizátory (s grafitovou trubicí). Atomy by pak měly být ozářeny optickým zářením, přičemž zdrojem záření může být zdroj čárového záření specifický pro daný prvek nebo zdroj kontinuálního záření. Záření pak prochází monochromátorem, aby se oddělilo záření specifické pro daný prvek od jakéhokoli jiného záření emitovaného zdrojem záření, které se nakonec měří detektorem.

AtomizátoryEdit

V současné době se nejčastěji používají (spektroskopické) plameny a elektrotermické (grafitové trubicové) atomizátory. Pro speciální účely lze použít i jiné atomizátory, jako je atomizace žhavým výbojem, hydridová atomizace nebo atomizace studenou párou.

Plamenové atomizátoryEdit

Nejstaršími a nejčastěji používanými atomizátory v AAS jsou plameny, především plamen vzduch-acetylen s teplotou přibližně 2300 °C a plamen systém oxid dusný (N2O)-acetylen s teplotou přibližně 2700 °C. Posledně jmenovaný plamen navíc nabízí redukčnější prostředí a je ideální pro analyty s vysokou afinitou ke kyslíku.

Obvykle se s plamenovými atomizátory používají kapalné nebo rozpuštěné vzorky. Roztok vzorku se nasaje pneumatickým analytickým rozprašovačem, přemění se na aerosol, který se zavede do rozprašovací komory, kde se smísí s plamennými plyny a upraví tak, aby do plamene vstupovaly pouze nejjemnější kapičky aerosolu (< 10 μm). Tento proces kondicionování snižuje rušivé vlivy, ale do plamene se díky němu dostane jen asi 5 % aerosolového roztoku.

Na vrcholu rozprašovací komory se nachází hlava hořáku, která vytváří plamen, který je příčně dlouhý (obvykle 5-10 cm) a hluboký jen několik mm. Svazek záření prochází tímto plamenem v jeho nejdelší ose a průtok plynu plamenem lze nastavit tak, aby se vytvořila co nejvyšší koncentrace volných atomů. Výšku hořáku lze rovněž nastavit tak, aby paprsek záření procházel zónou s nejvyšší hustotou mraku atomů v plameni, což vede k nejvyšší citlivosti.

Procesy v plameni zahrnují fáze desolvatace (sušení), při níž se odpaří rozpouštědlo a zůstanou suché nanočástice vzorku, vaporizace (přechod do plynné fáze), při níž se pevné částice přemění na plynnou molekulu, atomizace, při níž se molekuly disociují na volné atomy, a ionizace, při níž se (v závislosti na ionizačním potenciálu atomů analytu a energii dostupné v konkrétním plameni) mohou atomy částečně přeměnit na plynné ionty.

Každá z těchto fází zahrnuje riziko interference v případě, že se stupeň fázového přenosu liší pro analyt v kalibračním standardu a ve vzorku. Ionizace je obecně nežádoucí, protože snižuje počet atomů, které jsou k dispozici pro měření, tj. citlivost.

V plamenové AAS je během doby, kdy je vzorek nasáván, generován signál v ustáleném stavu. Tato technika se obvykle používá pro stanovení v rozsahu mg L-1 a u některých prvků ji lze rozšířit až na několik μg L-1.

Elektrotermické atomizátoryEdit

Elektrotermickou AAS (ET AAS) s použitím atomizátorů s grafitovou trubicí zavedl Boris V. L’vov v Petrohradském polytechnickém institutu v Rusku od konce 50. let 20. století a souběžně jej zkoumal Hans Massmann v Institutu spektrochemie a aplikované spektroskopie (ISAS) v Dortmundu v Německu.

Ačkoli se v průběhu let používala široká škála konstrukcí grafitových trubic, jejich rozměry jsou v současnosti obvykle 20-25 mm na délku a 5-6 mm vnitřního průměru. Pomocí této techniky lze přímo analyzovat kapalné/rozpuštěné, pevné a plynné vzorky. Odměřený objem (obvykle 10-50 μl) nebo odvážená hmotnost (obvykle kolem 1 mg) pevného vzorku se vloží do grafitové trubice a podrobí se teplotnímu programu. Ten se obvykle skládá ze stupňů, jako je sušení – rozpouštědlo se odpaří; pyrolýza – odstraní se většina složek matrice; atomizace – analytický prvek se uvolní do plynné fáze; a čištění – případné zbytky v grafitové trubici se odstraní při vysoké teplotě.

Grafitové trubice se zahřívají přes svůj ohmický odpor pomocí nízkonapěťového vysokoproudého zdroje; teplotu v jednotlivých stupních lze velmi přesně řídit a teplotní rampy mezi jednotlivými stupni usnadňují oddělení složek vzorku. Trubice mohou být vyhřívány příčně nebo podélně, přičemž první z nich mají výhodu homogennějšího rozložení teploty po celé délce. Díky tzv. koncepci stabilizované teplotní plošinové pece (STPF), kterou navrhl Walter Slavin na základě výzkumu Borise L’vova, je ET AAS v podstatě bez rušivých vlivů. Hlavními součástmi této koncepce jsou atomizace vzorku z grafitové platformy vložené do grafitové trubice (L’vovova platforma) namísto ze stěny trubice, aby se atomizace odložila, dokud plynná fáze v atomizátoru nedosáhne stabilní teploty; použití chemického modifikátoru za účelem stabilizace analytu na teplotu pyrolýzy, která je dostatečná k odstranění většiny složek matrice; a integrace absorbance v čase přechodného absorpčního signálu namísto použití absorbance výšky píku pro kvantifikaci.

V ET AAS se generuje přechodový signál, jehož plocha je přímo úměrná hmotnosti analytu (nikoli jeho koncentraci) zavedeného do grafitové trubice. Tato technika má tu výhodu, že lze přímo analyzovat jakýkoli druh vzorku, pevný, kapalný nebo plynný. Její citlivost je o 2 až 3 řády vyšší než citlivost plamenové AAS, takže lze provádět stanovení v nízkém rozsahu μg L-1 (pro typický objem vzorku 20 μl) a ng g-1 (pro typickou hmotnost vzorku 1 mg). Vykazuje velmi vysoký stupeň odolnosti vůči interferencím, takže ET AAS lze považovat za nejrobustnější techniku, která je v současné době k dispozici pro stanovení stopových prvků ve složitých matricích.

Specializované atomizační technikyEdit

Přestože nejběžnějšími atomizačními technikami jsou plamenové a elektrotermické odpařovače, pro specializované použití se využívá několik dalších atomizačních metod.

Atomizace žárovým výbojemEdit

Zařízení se žárovým výbojem (GD) slouží jako univerzální zdroj, protože může současně zavádět a atomizovat vzorek. Žárový výboj probíhá v atmosféře nízkotlakého plynu argonu o tlaku 1 až 10 torrů. V této atmosféře leží dvojice elektrod přivádějících stejnosměrné napětí 250 až 1000 V, které rozkládá plynný argon na kladně nabité ionty a elektrony. Tyto ionty jsou pod vlivem elektrického pole urychlovány do povrchu katody obsahující vzorek, bombardují vzorek a způsobují vyvržení neutrálních atomů vzorku procesem známým jako rozprašování. Atomová pára vzniklá tímto výbojem se skládá z iontů, atomů v základním stavu a zlomků excitovaných atomů. Když se excitované atomy uvolní zpět do základního stavu, vzniká záře o nízké intenzitě, která dala této technice její název.

Požadavkem na vzorky atomizátorů se žárovým výbojem je, aby byly elektrickými vodiči. Proto se atomizátory nejčastěji používají při analýze kovů a jiných vodivých vzorků. S vhodnými úpravami je však lze využít k analýze kapalných vzorků i nevodivých materiálů jejich smícháním s vodičem (např. grafitem).

Atomizace hydridůUpravit

Techniky generování hydridů se specializují na roztoky specifických prvků. Tato technika umožňuje zavádět vzorky obsahující arsen, antimon, selen, vizmut a olovo do atomizátoru v plynné fázi. U těchto prvků zvyšuje atomizace hydridů limity detekce 10 až 100krát ve srovnání s alternativními metodami. K tvorbě hydridů dochází přidáním okyseleného vodného roztoku vzorku do 1% vodného roztoku borohydridu sodného, který je celý obsažen ve skleněné nádobě. Těkavý hydrid vznikající při probíhající reakci je inertním plynem odváděn do atomizační komory, kde se rozkládá. Tímto procesem vzniká atomizovaná forma analytu, kterou lze poté měřit absorpční nebo emisní spektrometrií.

Atomizace studenou parouEdit

Technika studené páry je atomizační metoda omezená pouze na stanovení rtuti, protože je to jediný kovový prvek, který má při teplotě okolí dostatečně velký tlak par. Z tohoto důvodu má důležité využití při stanovení organických sloučenin rtuti ve vzorcích a jejich distribuci v životním prostředí. Metoda začíná přeměnou rtuti na Hg2+ oxidací z kyseliny dusičné a sírové, po níž následuje redukce Hg2+ chloridem cínatým(II). Rtuť je poté vháněna do dlouhoprůchodové absorpční trubice probubláváním proudu inertního plynu přes reakční směs. Koncentrace se stanoví měřením absorbance tohoto plynu při vlnové délce 253,7 nm. Detekční limity této techniky se pohybují v rozmezí částic na miliardu, což z ní činí vynikající metodu atomizace pro detekci rtuti.

Používají se dva typy hořáků: hořák s celkovou spotřebou a premixový hořák.

Zdroje zářeníEdit

Musíme rozlišovat mezi AAS s čárovým zdrojem (LS AAS) a AAS se zdrojem kontinua (CS AAS). V klasické LS AAS, jak ji navrhl Alan Walsh, zajišťuje vysoké spektrální rozlišení potřebné pro měření AAS samotný zdroj záření, který vyzařuje spektrum analytu v podobě čar, které jsou užší než absorpční čáry. Kontinuální zdroje, jako jsou deuteriové lampy, se používají pouze pro účely korekce pozadí. Výhodou této techniky je, že k měření AAS je zapotřebí pouze monochromátor se středním rozlišením; její nevýhodou však je, že pro každý prvek, který je třeba stanovit, je obvykle zapotřebí samostatná lampa. Naproti tomu při CS AAS se pro všechny prvky používá jediná lampa, která vyzařuje spojité spektrum v celém spektrálním rozsahu zájmu. Je zřejmé, že pro tuto techniku je zapotřebí monochromátor s vysokým rozlišením, jak bude uvedeno později.

Duté katodové lampyEdit

Duté katodové lampy (HCL) jsou nejběžnějším zdrojem záření v LS AAS. Uvnitř utěsněné lampy, naplněné argonem nebo neonem pod nízkým tlakem, se nachází válcová kovová katoda obsahující zájmový prvek a anoda. Na anodu a katodu se přivádí vysoké napětí, což vede k ionizaci plnicího plynu. Ionty plynu jsou urychlovány směrem ke katodě a po dopadu na katodu rozprašují katodový materiál, který je v žhavicím výboji excitován a emituje záření rozprašovaného materiálu, tj. zájmového prvku. Ve většině případů se používají jednoprvkové lampy, kde je katoda vylisována převážně ze sloučenin cílového prvku. Existují víceprvkové lampy s kombinací sloučenin cílových prvků lisovaných v katodě. Víceprvkové lampy mají o něco nižší citlivost než jednoprvkové lampy a kombinace prvků se musí pečlivě vybírat, aby se zabránilo spektrálním interferencím. Většina víceprvkových výbojek kombinuje několik prvků, např.: 2 – 8. Atomové absorpční spektrometry mohou mít jen 1 – 2 pozice lampy s dutou katodou nebo v automatizovaných víceprvkových spektrometrech může být typicky k dispozici 8 – 12 pozic lampy.

Bezelektrodové výbojkyEdit

Bezelektrodové výbojky (EDL) obsahují malé množství analytu v podobě kovu nebo soli v křemenné baňce spolu s inertním plynem, obvykle argonem, za nízkého tlaku. Baňka je vložena do cívky, která generuje elektromagnetické radiofrekvenční pole, což vede k nízkotlakému indukčně vázanému výboji ve výbojce. Emise z EDL je vyšší než z HCL a šířka čáry je obecně užší, ale EDL potřebují samostatný zdroj napájení a mohou potřebovat delší dobu ke stabilizaci.

Deuteriové výbojkyEdit

Deuteriové HCL nebo dokonce vodíkové HCL a deuteriové výbojky se používají v LS AAS pro účely korekce pozadí. Intenzita záření vyzařovaného těmito výbojkami výrazně klesá s rostoucí vlnovou délkou, takže je lze použít pouze v rozsahu vlnových délek mezi 190 a přibližně 320 nm.

Kontinuální zdrojeEdit

Při použití kontinuálního zdroje záření pro AAS je nutné použít monochromátor s vysokým rozlišením, jak bude uvedeno později. Kromě toho je nutné, aby lampa vyzařovala záření o intenzitě alespoň o řád vyšší než typická HCL v celém rozsahu vlnových délek od 190 nm do 900 nm. Pro splnění těchto požadavků byla vyvinuta speciální vysokotlaká xenonová lampa s krátkým obloukem, která pracuje v režimu horkého bodu.

SpektrometrEdit

Jak již bylo uvedeno výše, existuje rozdíl mezi spektrometry se středním rozlišením, které se používají pro LS AAS, a spektrometry s vysokým rozlišením, které jsou určeny pro CS AAS. Spektrometr zahrnuje spektrální třídič (monochromátor) a detektor.

Spektrometry pro LS AASEdit

V LS AAS je vysoké rozlišení, které je nutné pro měření atomové absorpce, zajištěno úzkou čárou emise zdroje záření a monochromátor má jednoduše rozlišit analytickou čáru od ostatního záření emitovaného lampou. Toho lze obvykle dosáhnout pásmovou propustí mezi 0,2 a 2 nm, tj. monochromátorem se středním rozlišením. Dalším prvkem, díky němuž je LS AAS specifický prvek, je modulace primárního záření a použití selektivního zesilovače, který je naladěn na stejnou modulační frekvenci, jak již postuloval Alan Walsh. Tímto způsobem lze vyloučit jakékoli (nemodulované) záření emitované například atomizátorem, což je pro LS AAS nezbytné. Pro LS AAS se obvykle používají jednoduché monochromátory Littrowovy nebo (lépe) Czernyho-Turnerovy konstrukce. Fotonásobiče jsou nejčastěji používanými detektory v LS AAS, ačkoli polovodičové detektory mohou být upřednostňovány kvůli lepšímu poměru signálu k šumu.

Spektrometry pro CS AASEdit

Pokud se pro měření AAS používá zdroj kontinuálního záření, je nezbytné pracovat s monochromátorem s vysokým rozlišením. Rozlišení musí být stejné nebo lepší než poloviční šířka atomové absorpční čáry (přibližně 2 pm), aby se zabránilo ztrátám citlivosti a linearity kalibračního grafu. Průkopníky výzkumu s CS AAS s vysokým rozlišením (HR) byly skupiny O’Havera a Harnlyho v USA, které také vyvinuly (dosud) jediný simultánní víceprvkový spektrometr pro tuto techniku. Průlom však nastal, když skupina Becker-Ross v Berlíně v Německu sestrojila spektrometr zcela určený pro HR-CS AAS. První komerční zařízení pro HR-CS AAS představila na začátku 21. století firma Analytik Jena (Jena, Německo) na základě konstrukce navržené Beckerem-Rossem a Florekem. Tyto spektrometry používají kompaktní dvojitý monochromátor s hranolovým předmonochromátorem a monochromátor s echelle mřížkou pro vysoké rozlišení. Jako detektor se používá lineární pole CCD (charge-coupled device) s 200 pixely. Druhý monochromátor nemá výstupní štěrbinu, a proto je spektrální prostředí na obou stranách analytické čáry viditelné s vysokým rozlišením. Protože k měření atomové absorpce se obvykle používá pouze 3-5 pixelů, ostatní pixely jsou k dispozici pro korekční účely. Jednou z těchto korekcí je korekce na šum blikání lampy, která je nezávislá na vlnové délce, což vede k měřením s velmi nízkou úrovní šumu; dalšími korekcemi jsou korekce na absorpci pozadí, jak bude uvedeno později.