Atomaire absorptiespectroscopie

Om een monster op zijn atomaire bestanddelen te kunnen analyseren, moet het worden verstoven. De tegenwoordig meest gebruikte verstuivers zijn vlammen en elektrothermische (grafietbuis) verstuivers. De atomen moeten vervolgens worden bestraald met optische straling, waarbij de stralingsbron een element-specifieke lijnstralingsbron of een continuümstralingsbron kan zijn. De straling gaat vervolgens door een monochromator om de elementspecifieke straling te scheiden van andere straling die door de stralingsbron wordt uitgezonden, en die ten slotte door een detector wordt gemeten.

VerstuiversEdit

De verstuivers die tegenwoordig het meest worden gebruikt zijn (spectroscopische) vlammen en elektrothermische (grafietbuis) verstuivers. Andere verstuivers, zoals gloei-ontladingsverstuiving, hydrideverstuiving, of koudedampverstuiving, kunnen voor speciale doeleinden worden gebruikt.

VlamverstuiversEdit

De oudste en meest gebruikte verstuivers in AAS zijn vlammen, voornamelijk de lucht-acetyleen-vlam met een temperatuur van ongeveer 2300 °C en de lachgassysteem (N2O)-acetyleen-vlam met een temperatuur van ongeveer 2700 °C. Deze laatste vlam biedt bovendien een meer reducerende omgeving, die bij uitstek geschikt is voor analyten met een hoge affiniteit voor zuurstof.

Vloeibare of opgeloste monsters worden gewoonlijk gebruikt met vlamvernevelaars. De monsteroplossing wordt opgezogen door een pneumatische analytische vernevelaar, omgezet in een aërosol, dat in een verstuiverkamer wordt gebracht, waar het met de vlamgassen wordt gemengd en zodanig wordt geconditioneerd dat alleen de fijnste aërosoldruppeltjes (< 10 μm) in de vlam terechtkomen. Dit conditioneringsproces vermindert de interferentie, maar daardoor bereikt slechts ongeveer 5% van de in aërosolvorm gebrachte oplossing de vlam.

Bovenop de verstuivingskamer bevindt zich een branderkop die een vlam produceert die zijdelings lang is (gewoonlijk 5-10 cm) en slechts een paar mm diep. De stralingsbundel passeert deze vlam op zijn langste as, en de gasstroomsnelheid van de vlam kan worden aangepast om de hoogste concentratie vrije atomen te produceren. Ook de hoogte van de brander kan worden aangepast, zodat de stralingsbundel door de zone met de hoogste dichtheid van de atoomwolk in de vlam gaat, hetgeen de hoogste gevoeligheid oplevert.

De processen in een vlam omvatten de stadia van desolvatie (drogen) waarin het oplosmiddel wordt verdampt en de droge nanodeeltjes van het monster overblijven, verdamping (overgang naar de gasfase) waarin de vaste deeltjes worden omgezet in gasvormige moleculen, atomisatie waarin de moleculen worden gescheiden in vrije atomen, en ionisatie waarbij (afhankelijk van het ionisatiepotentiaal van de atomen van de analyt en de in een bepaalde vlam beschikbare energie) atomen gedeeltelijk kunnen worden omgezet in gasvormige ionen.

Bij elk van deze fasen bestaat het risico van interferentie wanneer de fase-overdracht voor de analyt in de ijkstandaard en in het monster verschillend is. Ionisatie is in het algemeen ongewenst, omdat daardoor het aantal atomen dat voor de meting beschikbaar is, d.w.z. de gevoeligheid, afneemt.

In vlam-AAS wordt een stationair signaal opgewekt gedurende de tijd dat het monster wordt opgezogen. Deze techniek wordt meestal gebruikt voor bepalingen in het mg L-1 bereik, en kan worden uitgebreid tot een paar μg L-1 voor sommige elementen.

Elektrothermische verstuiversEdit

Elektrothermische AAS (ET AAS) met gebruikmaking van grafietbuisverstuivers werd gepionierd door Boris V. L’vov aan het Polytechnisch Instituut van Sint-Petersburg, Rusland, sinds het einde van de jaren 1950, en parallel onderzocht door Hans Massmann aan het Instituut voor Spectrochemie en Toegepaste Spectroscopie (ISAS) in Dortmund, Duitsland.

Hoewel in de loop der jaren een grote verscheidenheid aan grafietbuisontwerpen is gebruikt, zijn de afmetingen tegenwoordig meestal 20-25 mm lang en 5-6 mm binnendiameter. Met deze techniek kunnen vloeibare/opgeloste, vaste en gasvormige monsters rechtstreeks worden geanalyseerd. Een afgemeten volume (meestal 10-50 μL) of een gewogen massa (meestal ongeveer 1 mg) van een vast monster wordt in de grafietbuis gebracht en onderworpen aan een temperatuurprogramma. Dit bestaat gewoonlijk uit fasen, zoals drogen – het oplosmiddel wordt verdampt; pyrolyse – het merendeel van de matrixbestanddelen wordt verwijderd; verstuiving – het analytelement komt vrij in de gasfase; en reiniging – eventuele residuen in de grafietbuis worden bij hoge temperatuur verwijderd.

De grafietbuizen worden verwarmd via hun ohmse weerstand met behulp van een laagspanningsstroombron; de temperatuur in de afzonderlijke fasen kan zeer nauwkeurig worden geregeld, en temperatuurverhogingen tussen de afzonderlijke fasen vergemakkelijken de scheiding van monstercomponenten. De buizen kunnen in de dwarsrichting of in de lengterichting worden verwarmd, waarbij de eerstgenoemde het voordeel hebben van een meer homogene temperatuurverdeling over hun lengte. Het zogenaamde “stabilized temperature platform furnace” (STPF)-concept, voorgesteld door Walter Slavin op basis van onderzoek van Boris L’vov, maakt ET AAS in wezen storingsvrij. De belangrijkste onderdelen van dit concept zijn de verstuiving van het monster vanaf een grafietplatform dat in de grafietbuis is ingebracht (L’vov-platform) in plaats van vanaf de buiswand, zodat de verstuiving wordt uitgesteld totdat de gasfase in de verstuiver een stabiele temperatuur heeft bereikt; het gebruik van een chemische modificator om de analyt te stabiliseren op een pyrolysetemperatuur die voldoende is om het grootste deel van de matrixcomponenten te verwijderen; en de integratie van de extinctie over de tijd van het voorbijgaande absorptiesignaal in plaats van de absorptie van de piekhoogte te gebruiken voor kwantificering.

In ET AAS wordt een voorbijgaand signaal opgewekt waarvan het oppervlak recht evenredig is met de massa van de analyt (niet de concentratie) die in de grafietbuis wordt gebracht. Deze techniek heeft het voordeel dat elk soort monster, vast, vloeibaar of gasvormig, rechtstreeks kan worden geanalyseerd. De gevoeligheid is 2-3 orden van grootte hoger dan die van vlam-AAS, zodat bepalingen in het lage μg L-1 bereik (voor een typisch monstervolume van 20 μL) en ng g-1 bereik (voor een typische monstermassa van 1 mg) kunnen worden uitgevoerd. Zij vertoont een zeer hoge mate van storingsvrijheid, zodat ET AAS kan worden beschouwd als de meest robuuste techniek die tegenwoordig beschikbaar is voor de bepaling van sporenelementen in complexe matrices.

Gespecialiseerde atomisatietechniekenEdit

Weliswaar zijn vlam- en elektrothermische verstuivers de meest gangbare atomisatietechnieken, maar voor gespecialiseerd gebruik worden diverse andere atomisatietechnieken gebruikt.

Gloei-ontladingsatomisatieEdit

Een gloei-ontladingsapparaat (GD) dient als veelzijdige bron, omdat het gelijktijdig het monster kan inbrengen en atomiseren. De gloeiontlading vindt plaats in een lage druk argongasatmosfeer tussen 1 en 10 torr. In deze atmosfeer bevindt zich een paar elektroden die een gelijkspanning van 250 tot 1000 V aanleggen om het argongas te splitsen in positief geladen ionen en elektronen. Deze ionen worden onder invloed van het elektrische veld versneld naar het kathodeoppervlak dat het monster bevat, waarbij zij het monster bombarderen en neutrale atomen uit het monster werpen door middel van het proces dat bekend staat als sputteren. De door deze ontlading geproduceerde atoomdamp bestaat uit ionen, atomen in de grondtoestand en een fractie aangeslagen atomen. Wanneer de aangeslagen atomen terug ontspannen in hun grondtoestand, wordt een gloed van lage intensiteit uitgezonden, waaraan de techniek zijn naam ontleent.

De vereiste voor monsters van atomizers voor gloei-ontlading is dat zij elektrische geleiders zijn. Bijgevolg worden verstuivers het meest gebruikt bij de analyse van metalen en andere geleidende monsters. Echter, met de juiste modificaties, kan het worden gebruikt voor het analyseren van vloeibare monsters evenals niet-geleidende materialen door ze te mengen met een geleider (bijvoorbeeld grafiet).

Hydride atomizationEdit

Hydride generatie technieken zijn gespecialiseerd in oplossingen van specifieke elementen. Met deze techniek kunnen monsters met arseen, antimoon, seleen, bismut en lood in de gasfase in een atomisator worden gebracht. Met deze elementen verhoogt hydrideverstuiving de detectielimieten met een factor 10 tot 100 in vergelijking met alternatieve methoden. Hydride wordt gegenereerd door een aangezuurde waterige oplossing van het monster toe te voegen aan een 1% waterige oplossing van natriumborohydride, dat zich alle in een glazen vat bevindt. Het vluchtige hydride dat door de optredende reactie wordt gegenereerd, wordt door een inert gas naar de verstuivingskamer geslingerd, waar het wordt ontleed. Dit proces vormt een vernevelde vorm van de analyt, die vervolgens kan worden gemeten door absorptie- of emissiespectrometrie.

KoudedampverstuivingEdit

De koudedamptechniek is een verstuivingsmethode die beperkt is tot de bepaling van kwik, omdat dit het enige metallische element is dat bij omgevingstemperatuur een voldoende hoge dampspanning heeft. Daarom is deze methode van belang voor de bepaling van organische kwikverbindingen in monsters en de verdeling daarvan in het milieu. De methode begint met de omzetting van kwik in Hg2+ door oxidatie met salpeterzuur en zwavelzuur, gevolgd door een reductie van Hg2+ met tin(II)chloride. Het kwik wordt vervolgens in een absorptiebuis met lange doorgang gebracht door een stroom inert gas door het reactiemengsel te laten borrelen. De concentratie wordt bepaald door de extinctie van dit gas bij 253,7 nm te meten. De detectiegrenzen voor deze techniek liggen in het parts-per-billion bereik, waardoor het een uitstekende vernevelingsmethode voor kwikdetectie is.

Twee soorten branders worden gebruikt: totaalverbruikbrander en premixbrander.

StralingsbronnenEdit

We moeten onderscheid maken tussen lijnbron-AAS (LS AAS) en continuumbron-AAS (CS AAS). Bij klassieke LS AAS, zoals voorgesteld door Alan Walsh, wordt de hoge spectrale resolutie die voor AAS-metingen vereist is, verschaft door de stralingsbron zelf die het spectrum van de analyt uitzendt in de vorm van lijnen die smaller zijn dan de absorptielijnen. Continuumbronnen, zoals deuteriumlampen, worden alleen gebruikt voor achtergrondcorrectie. Het voordeel van deze techniek is dat voor AAS-metingen slechts een monochromator met middelhoge resolutie nodig is; zij heeft echter het nadeel dat meestal voor elk te bepalen element een aparte lamp nodig is. Bij CS AAS daarentegen wordt voor alle elementen één enkele lamp gebruikt, die een continuüm uitstraalt over het gehele spectrale bereik dat van belang is. Uiteraard is voor deze techniek een monochromator met hoge resolutie vereist, zoals later zal worden besproken.

Holle kathodelampenEdit

Holle kathodelampen (HCL) zijn de meest voorkomende stralingsbron bij LS AAS. In de verzegelde lamp, gevuld met argon- of neongas onder lage druk, bevindt zich een cilindrische metalen kathode met daarin het element van belang en een anode. Over de anode en de kathode wordt een hoge spanning aangelegd, waardoor het vulgas wordt geïoniseerd. De gasionen worden versneld naar de kathode en, bij impact op de kathode, kathodemateriaal gesputterd dat in de gloeiontlading wordt geëxciteerd om de straling van het gesputterde materiaal, d.w.z. het element van belang, uit te zenden. In de meeste gevallen worden lampen met één element gebruikt, waarbij de kathode wordt geperst uit overwegend verbindingen van het doelelement. Er zijn lampen met meerdere elementen beschikbaar, waarbij combinaties van verbindingen van de doelelementen in de kathode worden geperst. Meer-elementenlampen produceren iets minder gevoeligheid dan lampen met één element en de combinaties van elementen moeten zorgvuldig worden gekozen om spectrale interferenties te vermijden. De meeste multi-elementlampen combineren een handvol elementen, b.v.: 2 – 8. Atoomabsorptiespectrometers kunnen zo weinig als 1-2 holle kathodelampposities hebben of in geautomatiseerde multi-elementenspectrometers, kunnen een 8-12 lampposities typisch beschikbaar zijn.

Elektrodeloze ontladingslampenEdit

Electrodeloze ontladingslampen (EDL) bevatten een kleine hoeveelheid van de analyt als een metaal of een zout in een kwartsbol samen met een inert gas, typisch argongas, bij lage druk. De bol wordt in een spoel geplaatst die een elektromagnetisch radiofrequent veld opwekt, waardoor een inductief gekoppelde ontlading onder lage druk in de lamp ontstaat. De emissie van een EDL is hoger dan die van een HCL, en de lijnbreedte is in het algemeen smaller, maar EDL’s hebben een aparte voeding nodig en hebben wellicht een langere tijd nodig om te stabiliseren.

DeuteriumlampenEdit

Deuterium HCL- of zelfs waterstof HCL- en deuteriumontladingslampen worden in LS AAS gebruikt voor achtergrondcorrectiedoeleinden. De stralingsintensiteit van deze lampen neemt aanzienlijk af met toenemende golflengte, zodat zij alleen kunnen worden gebruikt in het golflengtegebied tussen 190 en ongeveer 320 nm.

ContinuumbronnenEdit

Wanneer een continuümstralingsbron voor AAS wordt gebruikt, is het noodzakelijk een monochromator met hoge resolutie te gebruiken, zoals later zal worden besproken. Bovendien moet de lamp straling uitzenden met een intensiteit die ten minste een orde van grootte hoger is dan die van een typische HCL over het gehele golflengtegebied van 190 nm tot 900 nm. Om aan deze eisen te voldoen is een speciale hoge-druk xenon-kortsluitbooglamp ontwikkeld die in hot-spotmodus werkt.

SpectrometerEdit

Zoals hierboven reeds is opgemerkt, is er een verschil tussen spectrometers met een gemiddelde resolutie die voor LS AAS worden gebruikt en spectrometers met een hoge resolutie die voor CS AAS zijn ontworpen. De spectrometer omvat de spectrale sorteerinrichting (monochromator) en de detector.

Spectrometers voor LS AASEdit

In LS AAS wordt de hoge resolutie die nodig is voor het meten van atoomabsorptie geleverd door de smalle lijnemissie van de stralingsbron, en de monochromator hoeft alleen maar de analytische lijn op te lossen van andere door de lamp uitgezonden straling. Dit kan gewoonlijk worden bereikt met een banddoorlaat tussen 0,2 en 2 nm, d.w.z. een monochromator met gemiddelde resolutie. Een andere mogelijkheid om de LS AAS element-specifiek te maken is modulatie van de primaire straling en het gebruik van een selectieve versterker die op dezelfde modulatiefrequentie is afgestemd, zoals reeds door Alan Walsh is gepostuleerd. Op deze manier kan alle (ongemoduleerde) straling die bijvoorbeeld door de verstuiver wordt uitgezonden, worden uitgesloten, hetgeen absoluut noodzakelijk is voor LS AAS. Eenvoudige monochromatoren van het Littrow- of (beter) het Czerny-Turner-ontwerp worden gewoonlijk gebruikt voor LS AAS. Fotomultiplicatorbuizen zijn de meest gebruikte detectoren bij LS AAS, hoewel vaste-stofdetectoren wellicht de voorkeur verdienen vanwege hun betere signaal/ruisverhouding.

Spectrometers voor CS AASEdit

Wanneer een continuümstralingsbron voor AAS-metingen wordt gebruikt, is het onontbeerlijk om met een monochromator met hoge resolutie te werken. De resolutie moet gelijk zijn aan of beter zijn dan de halve breedte van een atomaire absorptielijn (ongeveer 2 pm) om verlies van gevoeligheid en lineariteit van de ijkgrafiek te voorkomen. Het onderzoek met hoge-resolutie (HR) CS AAS werd verricht door de groepen van O’Haver en Harnly in de VS, die ook de (tot nu toe) enige simultane multi-element spectrometer voor deze techniek ontwikkelden. De doorbraak kwam echter toen de groep van Becker-Ross in Berlijn, Duitsland, een spectrometer bouwde die volledig was ontworpen voor HR-CS AAS. De eerste commerciële apparatuur voor HR-CS AAS werd geïntroduceerd door Analytik Jena (Jena, Duitsland) aan het begin van de 21e eeuw, op basis van het door Becker-Ross en Florek voorgestelde ontwerp. Deze spectrometers maken gebruik van een compacte dubbele monochromator met een prisma-voormonochromator en een echelle grating monochromator voor hoge resolutie. Een lineaire charge-coupled device (CCD) array met 200 pixels wordt gebruikt als detector. De tweede monochromator heeft geen uittredespleten; daardoor wordt het spectrale milieu aan beide zijden van de analytische lijn zichtbaar met hoge resolutie. Aangezien doorgaans slechts 3-5 pixels worden gebruikt om de atoomabsorptie te meten, zijn de overige pixels beschikbaar voor correctiedoeleinden. Een van deze correcties is die voor lampflikkergeluid, die onafhankelijk is van de golflengte, hetgeen resulteert in metingen met een zeer laag ruisniveau; andere correcties zijn die voor achtergrondabsorptie, zoals later zal worden besproken.