Spettroscopia di assorbimento atomico

Per analizzare un campione per i suoi costituenti atomici, deve essere atomizzato. Gli atomizzatori più comunemente usati al giorno d’oggi sono le fiamme e gli atomizzatori elettrotermici (tubo di grafite). Gli atomi devono poi essere irradiati da una radiazione ottica, e la fonte di radiazione potrebbe essere una fonte di radiazione lineare specifica per l’elemento o una fonte di radiazione continua. La radiazione passa poi attraverso un monocromatore per separare la radiazione elemento-specifica da qualsiasi altra radiazione emessa dalla sorgente di radiazione, che viene infine misurata da un rivelatore.

AtomizzatoriModifica

Gli atomizzatori più comunemente usati al giorno d’oggi sono le fiamme (spettroscopiche) e gli atomizzatori elettrotermici (tubo di grafite). Altri atomizzatori, come l’atomizzazione a scarica di bagliore, l’atomizzazione a idruri, o l’atomizzazione a vapore freddo, possono essere usati per scopi speciali.

Atomizzatori a fiammaModifica

Gli atomizzatori più antichi e più comunemente usati in AAS sono le fiamme, principalmente la fiamma aria-acetilene con una temperatura di circa 2300 °C e la fiamma ossido nitroso (N2O)-acetilene con una temperatura di circa 2700 °C. Quest’ultima fiamma, inoltre, offre un ambiente più riducente, essendo ideale per analiti con alta affinità all’ossigeno.

I campioni liquidi o disciolti sono tipicamente utilizzati con atomizzatori a fiamma. La soluzione del campione viene aspirata da un nebulizzatore analitico pneumatico, trasformata in un aerosol, che viene introdotto in una camera di nebulizzazione, dove viene mescolato con i gas della fiamma e condizionato in modo che solo le goccioline di aerosol più fini (< 10 μm) entrino nella fiamma. Questo processo di condizionamento riduce l’interferenza, ma solo il 5% circa della soluzione aerosolizzata raggiunge la fiamma a causa di esso.

In cima alla camera di nebulizzazione c’è una testa del bruciatore che produce una fiamma lunga lateralmente (di solito 5-10 cm) e profonda solo pochi mm. Il fascio di radiazioni passa attraverso questa fiamma sul suo asse più lungo, e i flussi di gas della fiamma possono essere regolati per produrre la massima concentrazione di atomi liberi. Anche l’altezza del bruciatore può essere regolata, in modo che il fascio di radiazioni passi attraverso la zona di massima densità di nuvole di atomi nella fiamma, ottenendo la massima sensibilità.

I processi in una fiamma includono le fasi di desolvation (essiccazione) in cui il solvente è evaporato e le nano-particelle del campione secco rimangono, vaporizzazione (trasferimento alla fase gassosa) in cui le particelle solide sono convertite in molecola gassosa, atomizzazione in cui le molecole sono dissociate in atomi liberi, e ionizzazione dove (a seconda del potenziale di ionizzazione degli atomi dell’analita e l’energia disponibile in una particolare fiamma) gli atomi possono essere in parte convertiti in ioni gassosi.

Ognuna di queste fasi include il rischio di interferenza nel caso in cui il grado di trasferimento di fase sia diverso per l’analita nello standard di calibrazione e nel campione. La ionizzazione è generalmente indesiderabile, poiché riduce il numero di atomi disponibili per la misurazione, cioè la sensibilità.

Nell’AAS a fiamma viene generato un segnale stazionario durante il periodo in cui il campione viene aspirato. Questa tecnica è tipicamente usata per determinazioni nell’intervallo di mg L-1, e può essere estesa fino a pochi μg L-1 per alcuni elementi.

Atomizzatori elettrotermiciModifica

L’AAS elettrotermico (ET AAS) con atomizzatori a tubo di grafite è stato introdotto per primo da Boris V. L’vov all’Istituto Politecnico di San Pietroburgo, Russia, dalla fine degli anni ’50, e studiato in parallelo da Hans Massmann all’Istituto di Spettrochimica e Spettroscopia Applicata (ISAS) di Dortmund, Germania.

Anche se nel corso degli anni è stata usata una grande varietà di design di tubi di grafite, le dimensioni oggi sono tipicamente 20-25 mm di lunghezza e 5-6 mm di diametro interno. Con questa tecnica si possono analizzare direttamente campioni liquidi/disciolti, solidi e gassosi. Un volume misurato (tipicamente 10-50 μL) o una massa pesata (tipicamente circa 1 mg) di un campione solido vengono introdotti nel tubo di grafite e sottoposti a un programma di temperatura. Questo tipicamente consiste di fasi, come l’essiccazione – il solvente è evaporato; pirolisi – la maggior parte dei costituenti della matrice sono rimossi; atomizzazione – l’elemento analita è rilasciato nella fase gassosa; e pulizia – eventuali residui nel tubo di grafite sono rimossi ad alta temperatura.

I tubi di grafite sono riscaldati attraverso la loro resistenza ohmica usando un’alimentazione a bassa tensione ad alta corrente; la temperatura nelle singole fasi può essere controllata molto attentamente, e le rampe di temperatura tra le singole fasi facilitano la separazione dei componenti del campione. I tubi possono essere riscaldati trasversalmente o longitudinalmente, dove i primi hanno il vantaggio di una distribuzione più omogenea della temperatura sulla loro lunghezza. Il cosiddetto concetto di stabilized temperature platform furnace (STPF), proposto da Walter Slavin, basato sulle ricerche di Boris L’vov, rende l’ET AAS essenzialmente privo di interferenze. I componenti principali di questo concetto sono l’atomizzazione del campione da una piattaforma di grafite inserita nel tubo di grafite (piattaforma di L’vov) invece che dalla parete del tubo per ritardare l’atomizzazione fino a quando la fase gassosa nell’atomizzatore ha raggiunto una temperatura stabile; l’uso di un modificatore chimico per stabilizzare l’analita a una temperatura di pirolisi che è sufficiente a rimuovere la maggior parte dei componenti della matrice; e l’integrazione dell’assorbanza nel tempo del segnale di assorbimento transitorio invece di usare l’assorbanza dell’altezza del picco per la quantificazione.

Nell’ET AAS si genera un segnale transitorio la cui area è direttamente proporzionale alla massa di analita (non alla sua concentrazione) introdotta nel tubo di grafite. Questa tecnica ha il vantaggio che qualsiasi tipo di campione, solido, liquido o gassoso, può essere analizzato direttamente. La sua sensibilità è di 2-3 ordini di grandezza superiore a quella dell’AAS a fiamma, per cui si possono effettuare determinazioni nell’intervallo di μg L-1 (per un volume tipico del campione di 20 μL) e ng g-1 (per una massa tipica del campione di 1 mg). Mostra un grado molto elevato di libertà da interferenze, in modo che ET AAS potrebbe essere considerata la tecnica più robusta disponibile oggi per la determinazione di elementi in tracce in matrici complesse.

Tecniche di atomizzazione specializzateModifica

Mentre i vaporizzatori a fiamma ed elettrotermici sono le tecniche di atomizzazione più comuni, diversi altri metodi di atomizzazione sono utilizzati per usi specializzati.

Atomizzazione a scarica di baglioreModifica

Un dispositivo a scarica di bagliore (GD) serve come una sorgente versatile, in quanto può introdurre e atomizzare il campione simultaneamente. La scarica a bagliore avviene in un’atmosfera di gas argon a bassa pressione tra 1 e 10 torr. In questa atmosfera si trova una coppia di elettrodi che applicano una tensione continua da 250 a 1000 V per scomporre il gas argon in ioni ed elettroni con carica positiva. Questi ioni, sotto l’influenza del campo elettrico, vengono accelerati nella superficie del catodo che contiene il campione, bombardando il campione e causando l’espulsione di atomi neutri del campione attraverso il processo noto come sputtering. Il vapore atomico prodotto da questa scarica è composto da ioni, atomi allo stato di terra e frazione di atomi eccitati. Quando gli atomi eccitati si rilassano di nuovo nel loro stato di terra, viene emesso un bagliore a bassa intensità, dando alla tecnica il suo nome.

Il requisito per i campioni degli atomizzatori a scarica glow è che siano conduttori elettrici. Di conseguenza, gli atomizzatori sono più comunemente usati nell’analisi di metalli e altri campioni conduttori. Tuttavia, con opportune modifiche, possono essere utilizzati per analizzare campioni liquidi e materiali non conduttori mescolandoli con un conduttore (ad esempio la grafite).

Atomizzazione dell’idruroModifica

Le tecniche di generazione di idruri sono specializzate in soluzioni di elementi specifici. La tecnica fornisce un mezzo per introdurre campioni contenenti arsenico, antimonio, selenio, bismuto e piombo in un atomizzatore in fase gassosa. Con questi elementi, l’atomizzazione dell’idruro migliora i limiti di rilevamento di un fattore da 10 a 100 rispetto ai metodi alternativi. La generazione dell’idruro avviene aggiungendo una soluzione acquosa acidificata del campione a una soluzione acquosa all’1% di boroidride di sodio, il tutto contenuto in un recipiente di vetro. L’idruro volatile generato dalla reazione che si verifica viene spazzato nella camera di atomizzazione da un gas inerte, dove subisce la decomposizione. Questo processo forma una forma atomizzata dell’analita, che può poi essere misurata con la spettrometria di assorbimento o di emissione.

Atomizzazione a vapore freddoModifica

La tecnica a vapore freddo è un metodo di atomizzazione limitato solo alla determinazione del mercurio, essendo l’unico elemento metallico ad avere una pressione di vapore abbastanza grande a temperatura ambiente. Per questo motivo, ha un uso importante nella determinazione dei composti organici del mercurio nei campioni e nella loro distribuzione nell’ambiente. Il metodo inizia convertendo il mercurio in Hg2+ per ossidazione da acidi nitrico e solforico, seguito da una riduzione di Hg2+ con cloruro di stagno (II). Il mercurio viene poi spazzato in un tubo di assorbimento a lunga distanza facendo gorgogliare un flusso di gas inerte attraverso la miscela di reazione. La concentrazione è determinata misurando l’assorbanza di questo gas a 253.7 nm. I limiti di rilevamento per questa tecnica sono nell’intervallo delle parti per miliardo, il che la rende un eccellente metodo di atomizzazione per la rilevazione del mercurio.

Sono utilizzati due tipi di bruciatori: il bruciatore a consumo totale e il bruciatore premix.

Sorgenti di radiazioneModifica

Dobbiamo distinguere tra AAS a sorgente lineare (LS AAS) e AAS a sorgente continua (CS AAS). Nel classico LS AAS, come è stato proposto da Alan Walsh, l’alta risoluzione spettrale richiesta per le misure AAS è fornita dalla sorgente di radiazione stessa che emette lo spettro dell’analita sotto forma di linee che sono più strette delle linee di assorbimento. Le sorgenti continue, come le lampade al deuterio, sono utilizzate solo per la correzione del fondo. Il vantaggio di questa tecnica è che solo un monocromatore a media risoluzione è necessario per la misurazione AAS; tuttavia, ha lo svantaggio che di solito è necessaria una lampada separata per ogni elemento che deve essere determinato. Nel CS AAS, al contrario, una singola lampada, che emette uno spettro continuo su tutto l’intervallo spettrale di interesse, viene utilizzata per tutti gli elementi. Ovviamente, per questa tecnica è necessario un monocromatore ad alta risoluzione, come verrà discusso in seguito.

Lampade a catodo cavoModifica

Le lampade a catodo cavo (HCL) sono la sorgente di radiazione più comune nel LS AAS. All’interno della lampada sigillata, riempita con gas argon o neon a bassa pressione, c’è un catodo metallico cilindrico contenente l’elemento di interesse e un anodo. Un’alta tensione viene applicata attraverso l’anodo e il catodo, provocando una ionizzazione del gas di riempimento. Gli ioni del gas vengono accelerati verso il catodo e, all’impatto con il catodo, spruzzano il materiale del catodo che viene eccitato nella scarica a bagliore per emettere la radiazione del materiale spruzzato, cioè l’elemento di interesse. Nella maggior parte dei casi vengono utilizzate lampade a elemento singolo, in cui il catodo viene pressato da composti prevalentemente dell’elemento di destinazione. Sono disponibili lampade multi-elemento con combinazioni di composti degli elementi target pressati nel catodo. Le lampade multielemento producono una sensibilità leggermente inferiore rispetto alle lampade a elemento singolo e le combinazioni di elementi devono essere selezionate con attenzione per evitare interferenze spettrali. La maggior parte delle lampade multi-elemento combinano una manciata di elementi, ad esempio: 2 – 8. Gli spettrometri ad assorbimento atomico possono avere solo 1-2 posizioni di lampade a catodo cavo o, negli spettrometri multi-elemento automatizzati, possono essere tipicamente disponibili 8-12 posizioni di lampade.

Lampade a scarica senza elettrodiModifica

Le lampade a scarica senza elettrodi (EDL) contengono una piccola quantità di analita come un metallo o un sale in un bulbo di quarzo insieme a un gas inerte, in genere gas argon, a bassa pressione. Il bulbo è inserito in una bobina che sta generando un campo elettromagnetico a radiofrequenza, dando luogo a una scarica a bassa pressione accoppiata induttivamente nella lampada. L’emissione da un EDL è superiore a quella da un HCL, e la larghezza della linea è generalmente più stretta, ma EDLs bisogno di un alimentatore separato e potrebbe essere necessario un tempo più lungo per stabilizzare.

Deuterio lampsEdit

Deuterio HCL o anche idrogeno HCL e deuterio lampade a scarica sono utilizzati in LS AAS per scopi di correzione di fondo. L’intensità della radiazione emessa da queste lampade diminuisce significativamente con l’aumentare della lunghezza d’onda, così che possono essere usate solo nell’intervallo di lunghezza d’onda tra 190 e circa 320 nm.

Sorgenti di continuoModifica

Quando una sorgente di radiazione continua è usata per l’AAS, è necessario usare un monocromatore ad alta risoluzione, come sarà discusso in seguito. Inoltre, è necessario che la lampada emetta una radiazione di intensità almeno un ordine di grandezza superiore a quella di una tipica HCL sull’intero intervallo di lunghezze d’onda da 190 nm a 900 nm. Una speciale lampada ad arco corto allo xeno ad alta pressione, che opera in modalità hot-spot è stata sviluppata per soddisfare questi requisiti.

SpettrometroModifica

Come già sottolineato sopra, c’è una differenza tra gli spettrometri a media risoluzione che vengono utilizzati per LS AAS e gli spettrometri ad alta risoluzione che sono progettati per CS AAS. Lo spettrometro include il dispositivo di ordinamento spettrale (monocromatore) e il rivelatore.

Spettrometri per LS AASEdit

Nel LS AAS l’alta risoluzione che è richiesta per la misura dell’assorbimento atomico è fornita dalla linea stretta di emissione della sorgente di radiazione, e il monocromatore deve semplicemente risolvere la linea analitica da altre radiazioni emesse dalla lampada. Questo di solito può essere realizzato con un passaggio di banda tra 0,2 e 2 nm, cioè un monocromatore a media risoluzione. Un’altra caratteristica per rendere l’elemento LS AAS specifico è la modulazione della radiazione primaria e l’uso di un amplificatore selettivo che è sintonizzato sulla stessa frequenza di modulazione, come già postulato da Alan Walsh. In questo modo qualsiasi radiazione (non modulata) emessa per esempio dall’atomizzatore può essere esclusa, il che è imperativo per LS AAS. Semplici monocromatori del tipo Littrow o (meglio) Czerny-Turner sono tipicamente usati per LS AAS. I tubi fotomoltiplicatori sono i rivelatori più frequentemente usati nell’AAS LS, anche se i rivelatori allo stato solido potrebbero essere preferiti per il loro migliore rapporto segnale-rumore.

Spettrometri per CS AASEdit

Quando una sorgente di radiazione continua viene usata per la misura AAS è indispensabile lavorare con un monocromatore ad alta risoluzione. La risoluzione deve essere uguale o migliore della metà della larghezza di una linea di assorbimento atomico (circa 2 pm) per evitare perdite di sensibilità e linearità del grafico di calibrazione. La ricerca con l’alta risoluzione (HR) CS AAS è stata pioniera dei gruppi di O’Haver e Harnly negli Stati Uniti, che hanno anche sviluppato l’unico spettrometro multi-elemento simultaneo (fino ad ora) per questa tecnica. La svolta, però, avvenne quando il gruppo di Becker-Ross a Berlino, in Germania, costruì uno spettrometro interamente progettato per l’HR-CS AAS. La prima attrezzatura commerciale per l’HR-CS AAS è stata introdotta da Analytik Jena (Jena, Germania) all’inizio del 21° secolo, basata sul progetto proposto da Becker-Ross e Florek. Questi spettrometri usano un doppio monocromatore compatto con un premonocromatore a prisma e un monocromatore a griglia echelle per l’alta risoluzione. Come rivelatore viene utilizzata una matrice lineare di dispositivi ad accoppiamento di carica (CCD) con 200 pixel. Il secondo monocromatore non ha una fessura di uscita; quindi l’ambiente spettrale su entrambi i lati della linea analitica diventa visibile ad alta risoluzione. Poiché tipicamente solo 3-5 pixel sono usati per misurare l’assorbimento atomico, gli altri pixel sono disponibili per scopi di correzione. Una di queste correzioni è quella per il rumore di sfarfallio della lampada, che è indipendente dalla lunghezza d’onda, risultando in misure con un livello di rumore molto basso; altre correzioni sono quelle per l’assorbimento di fondo, come sarà discusso più avanti.