Espectroscopia de absorción atómica

Para analizar una muestra en busca de sus componentes atómicos, hay que atomizarla. Los atomizadores más utilizados en la actualidad son los de llama y los electrotérmicos (tubo de grafito). A continuación, los átomos deben ser irradiados por radiación óptica, y la fuente de radiación puede ser una fuente de radiación de línea específica del elemento o una fuente de radiación continua. A continuación, la radiación pasa por un monocromador para separar la radiación específica del elemento de cualquier otra radiación emitida por la fuente de radiación, que finalmente se mide con un detector.

AtomizadoresEditar

Los atomizadores más utilizados en la actualidad son las llamas (espectroscópicas) y los atomizadores electrotérmicos (de tubo de grafito). Otros atomizadores, como la atomización por descarga luminosa, la atomización por hidruro o la atomización por vapor frío, pueden utilizarse para fines especiales.

Atomizadores de llamaEditar

Los atomizadores más antiguos y más utilizados en AAS son las llamas, principalmente la llama de aire-acetileno con una temperatura de unos 2300 °C y la llama de sistema de óxido nitroso (N2O)-acetileno con una temperatura de unos 2700 °C. Esta última llama, además, ofrece un entorno más reductor, siendo ideal para analitos con alta afinidad al oxígeno.

Las muestras líquidas o disueltas se utilizan típicamente con atomizadores de llama. La solución de la muestra es aspirada por un nebulizador analítico neumático, transformada en un aerosol, que se introduce en una cámara de atomización, donde se mezcla con los gases de la llama y se acondiciona de forma que sólo las gotas de aerosol más finas (< 10 μm) entran en la llama. Este proceso de acondicionamiento reduce las interferencias, pero sólo un 5% de la solución aerosolizada llega a la llama debido a ello.

Encima de la cámara de pulverización hay un cabezal de quemador que produce una llama que es lateralmente larga (normalmente de 5 a 10 cm) y sólo unos pocos mm de profundidad. El haz de radiación pasa a través de esta llama en su eje más largo, y los caudales de gas de la llama pueden ajustarse para producir la mayor concentración de átomos libres. La altura del quemador también puede ajustarse para que el haz de radiación pase por la zona de mayor densidad de nubes de átomos en la llama, lo que da lugar a la mayor sensibilidad.

Los procesos en una llama incluyen las etapas de desolvatación (secado) en la que se evapora el disolvente y quedan las nanopartículas de la muestra seca, la vaporización (transferencia a la fase gaseosa) en la que las partículas sólidas se convierten en moléculas gaseosas, la atomización en la que las moléculas se disocian en átomos libres, y la ionización en la que (dependiendo del potencial de ionización de los átomos del analito y de la energía disponible en una llama concreta) los átomos pueden convertirse en parte en iones gaseosos.

Cada una de estas etapas incluye el riesgo de interferencia en caso de que el grado de transferencia de fase sea diferente para el analito en el estándar de calibración y en la muestra. La ionización es generalmente indeseable, ya que reduce el número de átomos que están disponibles para la medición, es decir, la sensibilidad.

En el AAS de llama se genera una señal de estado estacionario durante el período de tiempo en que se aspira la muestra. Esta técnica se utiliza normalmente para determinaciones en el rango de mg L-1, y puede extenderse hasta unos pocos μg L-1 para algunos elementos.

Atomizadores electrotérmicosEditar

Electrothermal AAS (ET AAS) utilizando atomizadores de tubo de grafito fue iniciado por Boris V. L’vov en el Instituto Politécnico de San Petersburgo, Rusia, desde finales de la década de 1950, y fue investigado paralelamente por Hans Massmann en el Instituto de Espectroquímica y Espectroscopia Aplicada (ISAS) de Dortmund, Alemania.

Aunque a lo largo de los años se ha utilizado una gran variedad de diseños de tubos de grafito, las dimensiones actuales suelen ser de 20-25 mm de longitud y 5-6 mm de diámetro interior. Con esta técnica se pueden analizar directamente muestras líquidas/disueltas, sólidas y gaseosas. Un volumen medido (normalmente 10-50 μL) o una masa pesada (normalmente alrededor de 1 mg) de una muestra sólida se introducen en el tubo de grafito y se someten a un programa de temperatura. Éste suele constar de etapas, como el secado -se evapora el disolvente-, la pirólisis -se elimina la mayor parte de los constituyentes de la matriz-, la atomización -se libera el elemento analítico a la fase gaseosa- y la limpieza -se eliminan los eventuales residuos en el tubo de grafito a alta temperatura.

Los tubos de grafito se calientan a través de su resistencia óhmica utilizando una fuente de alimentación de bajo voltaje y alta corriente; la temperatura en las etapas individuales puede controlarse muy estrechamente, y las rampas de temperatura entre las etapas individuales facilitan la separación de los componentes de la muestra. Los tubos pueden calentarse transversal o longitudinalmente, teniendo los primeros la ventaja de una distribución más homogénea de la temperatura en su longitud. El llamado concepto de horno de plataforma de temperatura estabilizada (STPF), propuesto por Walter Slavin, basado en la investigación de Boris L’vov, hace que el ET AAS esté esencialmente libre de interferencias. Los principales componentes de este concepto son la atomización de la muestra desde una plataforma de grafito insertada en el tubo de grafito (plataforma de L’vov) en lugar de desde la pared del tubo para retrasar la atomización hasta que la fase gaseosa en el atomizador haya alcanzado una temperatura estable; el uso de un modificador químico para estabilizar el analito a una temperatura de pirólisis que sea suficiente para eliminar la mayoría de los componentes de la matriz; y la integración de la absorbancia a lo largo del tiempo de la señal de absorción transitoria en lugar de utilizar la absorbancia de la altura del pico para la cuantificación.

En la ET AAS se genera una señal transitoria cuya área es directamente proporcional a la masa de analito (no a su concentración) introducida en el tubo de grafito. Esta técnica tiene la ventaja de que se puede analizar directamente cualquier tipo de muestra, sólida, líquida o gaseosa. Su sensibilidad es de 2 a 3 órdenes de magnitud superior a la del AAS de llama, por lo que se pueden realizar determinaciones en el rango bajo de μg L-1 (para un volumen de muestra típico de 20 μL) y ng g-1 (para una masa de muestra típica de 1 mg). Muestra un grado muy alto de ausencia de interferencias, por lo que la ET AAS podría considerarse la técnica más robusta disponible hoy en día para la determinación de elementos traza en matrices complejas.

Técnicas de atomización especializadasEditar

Aunque los vaporizadores de llama y electrotérmicos son las técnicas de atomización más comunes, se utilizan otros métodos de atomización para usos especializados.

Atomización por descarga luminosaEditar

Un dispositivo de descarga luminosa (GD) sirve como fuente versátil, ya que puede introducir y atomizar simultáneamente la muestra. La descarga luminosa se produce en una atmósfera de gas argón de baja presión, entre 1 y 10 torr. En esta atmósfera se encuentra un par de electrodos que aplican una tensión continua de 250 a 1000 V para descomponer el gas argón en iones y electrones con carga positiva. Estos iones, bajo la influencia del campo eléctrico, se aceleran hacia la superficie del cátodo que contiene la muestra, bombardeándola y provocando la expulsión de átomos neutros de la muestra mediante el proceso conocido como sputtering. El vapor atómico producido por esta descarga se compone de iones, átomos en estado básico y una fracción de átomos excitados. Cuando los átomos excitados se relajan y vuelven a su estado básico, se emite un resplandor de baja intensidad, lo que da nombre a la técnica.

El requisito para las muestras de los atomizadores de descarga luminosa es que sean conductores eléctricos. En consecuencia, los atomizadores se utilizan más comúnmente en el análisis de metales y otras muestras conductoras. Sin embargo, con las modificaciones adecuadas, puede utilizarse para analizar muestras líquidas, así como materiales no conductores, mezclándolos con un conductor (por ejemplo, grafito).

Atomización de hidrurosEditar

Las técnicas de generación de hidruros están especializadas en soluciones de elementos específicos. La técnica proporciona un medio para introducir muestras que contienen arsénico, antimonio, selenio, bismuto y plomo en un atomizador en fase gaseosa. Con estos elementos, la atomización de hidruros mejora los límites de detección en un factor de 10 a 100 en comparación con los métodos alternativos. La generación de hidruros se produce añadiendo una solución acuosa acidificada de la muestra a una solución acuosa al 1% de borohidruro de sodio, todo ello contenido en un recipiente de vidrio. El hidruro volátil generado por la reacción que se produce es arrastrado a la cámara de atomización por un gas inerte, donde sufre una descomposición. Este proceso forma una forma atomizada del analito, que luego puede medirse por espectrometría de absorción o de emisión.

Atomización por vapor fríoEditar

La técnica de vapor frío es un método de atomización limitado únicamente a la determinación del mercurio, debido a que es el único elemento metálico que tiene una presión de vapor suficientemente grande a temperatura ambiente. Debido a esto, tiene un uso importante en la determinación de compuestos orgánicos de mercurio en muestras y su distribución en el medio ambiente. El método comienza convirtiendo el mercurio en Hg2+ por oxidación de los ácidos nítrico y sulfúrico, seguido de una reducción del Hg2+ con cloruro de estaño (II). El mercurio, a continuación, se barre en un tubo de absorción de paso largo burbujeando una corriente de gas inerte a través de la mezcla de reacción. La concentración se determina midiendo la absorbencia de este gas a 253,7 nm. Los límites de detección de esta técnica están en el rango de las partes por billón, lo que la convierte en un excelente método de atomización para la detección de mercurio.

Se utilizan dos tipos de quemadores: quemador de consumo total y quemador de premezcla.

Fuentes de radiaciónEditar

Tenemos que distinguir entre AAS de fuente lineal (LS AAS) y AAS de fuente continua (CS AAS). En la clásica LS AAS, como ha sido propuesto por Alan Walsh, la alta resolución espectral requerida para las mediciones de AAS es proporcionada por la propia fuente de radiación que emite el espectro del analito en forma de líneas que son más estrechas que las líneas de absorción. Las fuentes continuas, como las lámparas de deuterio, sólo se utilizan para corregir el fondo. La ventaja de esta técnica es que sólo se necesita un monocromador de resolución media para la medición de AAS; sin embargo, tiene la desventaja de que normalmente se requiere una lámpara distinta para cada elemento que haya que determinar. En cambio, en la técnica CS AAS se utiliza una única lámpara que emite un espectro continuo en todo el rango espectral de interés para todos los elementos. Obviamente, se requiere un monocromador de alta resolución para esta técnica, como se discutirá más adelante.

Lámparas de cátodo huecoEditar

Las lámparas de cátodo hueco (HCL) son la fuente de radiación más común en LS AAS. Dentro de la lámpara sellada, llena de gas argón o neón a baja presión, hay un cátodo metálico cilíndrico que contiene el elemento de interés y un ánodo. Se aplica un alto voltaje a través del ánodo y el cátodo, lo que provoca la ionización del gas de relleno. Los iones del gas se aceleran hacia el cátodo y, al impactar en él, pulverizan el material del cátodo que se excita en la descarga luminosa para emitir la radiación del material pulverizado, es decir, el elemento de interés. En la mayoría de los casos se utilizan lámparas de un solo elemento, en las que el cátodo está prensado de compuestos predominantes del elemento objetivo. Existen lámparas multielemento con combinaciones de compuestos de los elementos objetivo prensados en el cátodo. Las lámparas multielemento producen una sensibilidad ligeramente menor que las lámparas de un solo elemento y las combinaciones de elementos deben seleccionarse cuidadosamente para evitar interferencias espectrales. La mayoría de las lámparas multielemento combinan un puñado de elementos, por ejemplo: 2 – 8. Los espectrómetros de absorción atómica pueden contar con tan sólo 1 ó 2 posiciones de lámpara de cátodo hueco o, en los espectrómetros multielementos automatizados, con 8 ó 12 posiciones de lámpara.

Lámparas de descarga sin electrodosEditar

Las lámparas de descarga sin electrodos (EDL) contienen una pequeña cantidad del analito como metal o sal en un bulbo de cuarzo junto con un gas inerte, normalmente gas argón, a baja presión. El bulbo se inserta en una bobina que genera un campo electromagnético de radiofrecuencia, lo que da lugar a una descarga de baja presión acoplada inductivamente en la lámpara. La emisión de una EDL es mayor que la de una HCL, y la anchura de la línea es generalmente más estrecha, pero las EDL necesitan una fuente de alimentación separada y pueden necesitar un tiempo más largo para estabilizarse.

Lámparas de deuterioEditar

Las lámparas de descarga de deuterio HCL o incluso de hidrógeno HCL y deuterio se utilizan en la LS AAS con fines de corrección de fondo. La intensidad de la radiación emitida por estas lámparas disminuye significativamente con el aumento de la longitud de onda, por lo que sólo pueden utilizarse en el rango de longitudes de onda entre 190 y aproximadamente 320 nm.

Fuentes de radiación continuaEditar

Cuando se utiliza una fuente de radiación continua para el AAS, es necesario utilizar un monocromador de alta resolución, como se verá más adelante. Además, es necesario que la lámpara emita una radiación de intensidad al menos un orden de magnitud superior a la de un HCL típico en todo el rango de longitudes de onda de 190 nm a 900 nm. Se ha desarrollado una lámpara especial de arco corto de xenón de alta presión, que funciona en modo de punto caliente, para cumplir estos requisitos.

EspectrómetroEditar

Como ya se ha señalado anteriormente, existe una diferencia entre los espectrómetros de media resolución que se utilizan para la LS AAS y los espectrómetros de alta resolución que están diseñados para la CS AAS. El espectrómetro incluye el dispositivo de clasificación espectral (monocromador) y el detector.

Espectrómetros para LS AASEdit

En la LS AAS la alta resolución que se requiere para la medición de la absorción atómica es proporcionada por la emisión de línea estrecha de la fuente de radiación, y el monocromador simplemente tiene que resolver la línea analítica de otra radiación emitida por la lámpara. Esto puede lograrse normalmente con un paso de banda entre 0,2 y 2 nm, es decir, un monocromador de resolución media. Otra característica para que el LS AAS sea específico de un elemento es la modulación de la radiación primaria y el uso de un amplificador selectivo que se sintonice con la misma frecuencia de modulación, como ya postuló Alan Walsh. De este modo se puede excluir cualquier radiación (no modulada) emitida, por ejemplo, por el atomizador, lo cual es imprescindible para el LS AAS. Los monocromadores simples del diseño Littrow o (mejor) Czerny-Turner se utilizan normalmente para la LS AAS. Los tubos fotomultiplicadores son los detectores más utilizados en la LS AAS, aunque pueden preferirse los detectores de estado sólido debido a su mejor relación señal/ruido.

Espectrómetros para CS AASEdit

Cuando se utiliza una fuente de radiación continua para la medición de AAS es indispensable trabajar con un monocromador de alta resolución. La resolución tiene que ser igual o mejor que la media anchura de una línea de absorción atómica (unas 2 pm) para evitar pérdidas de sensibilidad y linealidad de la gráfica de calibración. La investigación con CS AAS de alta resolución (HR) fue iniciada por los grupos de O’Haver y Harnly en Estados Unidos, que también desarrollaron el (hasta ahora) único espectrómetro multielemento simultáneo para esta técnica. Sin embargo, el gran avance se produjo cuando el grupo de Becker-Ross, en Berlín (Alemania), construyó un espectrómetro totalmente diseñado para la SAA de HR-CS. El primer equipo comercial para HR-CS AAS fue introducido por Analytik Jena (Jena, Alemania) a principios del siglo XXI, basado en el diseño propuesto por Becker-Ross y Florek. Estos espectrómetros utilizan un monocromador doble compacto con un premonocromador de prisma y un monocromador de rejilla echelle para obtener una alta resolución. Como detector se utiliza un dispositivo lineal de carga acoplada (CCD) con 200 píxeles. El segundo monocromador no tiene rendija de salida, por lo que el entorno espectral a ambos lados de la línea analítica se hace visible con alta resolución. Como normalmente sólo se utilizan de 3 a 5 píxeles para medir la absorción atómica, los demás píxeles están disponibles para realizar correcciones. Una de estas correcciones es la del ruido de parpadeo de la lámpara, que es independiente de la longitud de onda, lo que da lugar a mediciones con un nivel de ruido muy bajo; otras correcciones son las de la absorción de fondo, como se verá más adelante.