Spektroskopia absorpcji atomowej

Próbki płynne lub rozpuszczone są zwykle używane z atomizerami płomieniowymi. Roztwór próbki jest zasysany przez pneumatyczny nebulizator analityczny, przekształcany w aerozol, który jest wprowadzany do komory rozpylającej, gdzie jest mieszany z gazami płomienia i kondycjonowany w taki sposób, że tylko najdrobniejsze kropelki aerozolu (< 10 μm) dostają się do płomienia. Ten proces kondycjonowania zmniejsza zakłócenia, ale tylko około 5% aerozolizowanego roztworu osiąga płomień z tego powodu.

Na szczycie komory rozpylania znajduje się głowica palnika, która wytwarza płomień, który jest bocznie długi (zwykle 5-10 cm) i głęboki tylko na kilka mm. Wiązka promieniowania przechodzi przez ten płomień w jego najdłuższej osi, a natężenie przepływu gazu w płomieniu może być regulowane w celu wytworzenia największej koncentracji wolnych atomów. Wysokość palnika może być również regulowana tak, aby wiązka promieniowania przechodziła przez strefę największej gęstości chmury atomów w płomieniu, co daje najwyższą czułość.

Procesy w płomieniu obejmują etapy desolwatacji (suszenia), w którym rozpuszczalnik jest odparowywany i pozostają suche nanocząsteczki próbki, parowania (przejścia do fazy gazowej), w którym cząsteczki stałe są przekształcane w cząsteczki gazowe, atomizacji, w którym cząsteczki są dysocjowane na wolne atomy, i jonizacji, w którym (w zależności od potencjału jonizacji atomów analitu i energii dostępnej w danym płomieniu) atomy mogą być częściowo przekształcane w jony gazowe.

Każdy z tych etapów obejmuje ryzyko zakłóceń w przypadku, gdy stopień przeniesienia faz jest różny dla analitu we wzorcu kalibracji i w próbce. Jonizacja jest generalnie niepożądana, ponieważ zmniejsza liczbę atomów, które są dostępne do pomiaru, tj. czułość.

W AAS płomieniowej sygnał stanu ustalonego jest generowany w czasie, gdy próbka jest zasysana. Technika ta jest zwykle stosowana do oznaczeń w zakresie mg L-1, a dla niektórych pierwiastków może być rozszerzona do kilku μg L-1.

Atomizery elektrotermiczneEdit

Elektrotermiczna AAS (ET AAS) wykorzystująca atomizery z rurką grafitową została zapoczątkowana przez Borisa V. L’vov w Instytucie Politechnicznym w Sankt Petersburgu, Rosja, od późnych lat 50-tych, i badany równolegle przez Hansa Massmanna w Instytucie Spektrochemii i Spektroskopii Stosowanej (ISAS) w Dortmundzie, Niemcy.

Pomimo, że na przestrzeni lat stosowano wiele różnych konstrukcji rurek grafitowych, obecnie ich wymiary wynoszą zazwyczaj 20-25 mm długości i 5-6 mm średnicy wewnętrznej. Dzięki tej technice próbki ciekłe/rozpuszczone, stałe i gazowe mogą być bezpośrednio analizowane. Odmierzona objętość (typowo 10-50 μL) lub zważona masa (typowo około 1 mg) próbki stałej są wprowadzane do rurki grafitowej i poddawane programowi temperaturowemu. Zazwyczaj składa się to z etapów, takich jak suszenie – rozpuszczalnik jest odparowywany; piroliza – większość składników matrycy jest usuwana; atomizacja – element analityczny jest uwalniany do fazy gazowej; oraz czyszczenie – ewentualne pozostałości w rurce grafitowej są usuwane w wysokiej temperaturze.

Rurki grafitowe są ogrzewane poprzez ich opór omowy przy użyciu zasilacza wysokoprądowego o niskim napięciu; temperatura w poszczególnych etapach może być bardzo ściśle kontrolowana, a skoki temperatury pomiędzy poszczególnymi etapami ułatwiają oddzielenie składników próbki. Rurki mogą być ogrzewane poprzecznie lub wzdłużnie, przy czym przewagą tych pierwszych jest bardziej jednorodny rozkład temperatury na ich długości. Koncepcja tzw. Stabilized Temperature Platform Furnace (STPF), zaproponowana przez Waltera Slavina, oparta na badaniach Borisa L’vova, sprawia, że ET AAS jest w zasadzie wolna od zakłóceń. Główne elementy tej koncepcji to rozpylanie próbki z platformy grafitowej umieszczonej w rurce grafitowej (platforma L’vov’a) zamiast ze ścianki rurki w celu opóźnienia rozpylania do momentu, gdy faza gazowa w atomizerze osiągnie stabilną temperaturę; użycie modyfikatora chemicznego w celu ustabilizowania analitu do temperatury pirolizy, która jest wystarczająca do usunięcia większości składników matrycy; oraz integracja absorbancji w czasie przejściowego sygnału absorpcji zamiast używania wysokości piku absorbancji do kwantyfikacji.

W ET AAS generowany jest przejściowy sygnał, którego powierzchnia jest wprost proporcjonalna do masy analitu (a nie jego stężenia) wprowadzonego do rurki grafitowej. Technika ta ma tę zaletę, że każdy rodzaj próbki, stała, ciekła lub gazowa, może być analizowana bezpośrednio. Jej czułość jest o 2-3 rzędy wielkości wyższa niż w przypadku płomieniowej AAS, dzięki czemu można wykonywać oznaczenia w zakresie niskich μg L-1 (dla typowej objętości próbki 20 μL) i ng g-1 (dla typowej masy próbki 1 mg). Wykazuje ona bardzo wysoki stopień odporności na interferencje, dzięki czemu ET AAS może być uważana za najbardziej solidną z dostępnych obecnie technik oznaczania pierwiastków śladowych w złożonych matrycach.

Specjalistyczne techniki atomizacjiEdit

Pomimo, że płomień i elektrotermiczne parowniki są najbardziej powszechnymi technikami atomizacji, kilka innych metod atomizacji jest wykorzystywanych do specjalistycznych zastosowań.

Atomizacja wyładowaniami jarzeniowymiEdit

Urządzenie do wyładowań jarzeniowych (GD) służy jako uniwersalne źródło, ponieważ może jednocześnie wprowadzać i atomizować próbkę. Wyładowanie jarzeniowe zachodzi w atmosferze gazu argonowego pod niskim ciśnieniem od 1 do 10 torr. W atmosferze tej znajduje się para elektrod, na które działa napięcie stałe o wartości od 250 do 1000 V, powodujące rozpad gazu argonowego na dodatnio naładowane jony i elektrony. Jony te, pod wpływem pola elektrycznego, są przyspieszane do powierzchni katody zawierającej próbkę, bombardując ją i powodując wyrzucenie neutralnych atomów próbki w procesie znanym jako rozpylanie jonowe. Para atomowa wytworzona przez to wyładowanie składa się z jonów, atomów w stanie podstawowym oraz frakcji wzbudzonych atomów. Gdy wzbudzone atomy zrelaksują się z powrotem do stanu podstawowego, emitowana jest poświata o niskiej intensywności, co nadaje tej technice jej nazwę.

Wymogiem dla próbek atomizerów wyładowań jarzeniowych jest to, że są one przewodnikami elektrycznymi. W związku z tym, atomizery są najczęściej stosowane w analizie metali i innych próbek przewodzących. Jednakże, przy odpowiednich modyfikacjach, można je wykorzystać do analizy próbek ciekłych, jak również materiałów nieprzewodzących poprzez zmieszanie ich z przewodnikiem (np. grafitem).

Atomizacja wodorkowaEdit

Techniki generacji wodorków są wyspecjalizowane w roztworach określonych pierwiastków. Technika ta pozwala na wprowadzenie do atomizera w fazie gazowej próbek zawierających arsen, antymon, selen, bizmut i ołów. W przypadku tych pierwiastków, atomizacja wodorków zwiększa limity detekcji o współczynnik od 10 do 100 w porównaniu do metod alternatywnych. Generowanie wodorku zachodzi poprzez dodanie zakwaszonego wodnego roztworu próbki do 1% wodnego roztworu borohydryku sodu, który w całości znajduje się w szklanym naczyniu. Lotny wodorek powstały w wyniku zachodzącej reakcji jest porywany przez gaz obojętny do komory atomizacji, gdzie ulega rozkładowi. Proces ten tworzy rozpyloną formę analitu, który może być następnie mierzony za pomocą spektrometrii absorpcyjnej lub emisyjnej.

Atomizacja zimnych parEdit

Technika zimnych par jest metodą atomizacji ograniczoną tylko do oznaczania rtęci, ze względu na to, że jest to jedyny pierwiastek metaliczny, który ma wystarczająco duże ciśnienie pary w temperaturze otoczenia. Z tego powodu ma ona ważne zastosowanie w oznaczaniu organicznych związków rtęci w próbkach i ich rozmieszczenia w środowisku. Metoda rozpoczyna się od przekształcenia rtęci w Hg2+ poprzez utlenianie kwasami azotowym i siarkowym, a następnie redukcję Hg2+ chlorkiem cyny(II). Rtęć jest następnie wprowadzana do rurki absorpcyjnej o długim przepływie poprzez przepuszczanie strumienia gazu obojętnego przez mieszaninę reakcyjną. Stężenie jest oznaczane poprzez pomiar absorbancji tego gazu przy 253,7 nm. Granice wykrywalności dla tej techniki są w zakresie części na miliard, co czyni ją doskonałą metodą atomizacji do wykrywania rtęci.

Stosowane są dwa rodzaje palników: palnik całkowitego zużycia i palnik mieszanki wstępnej.

Źródła promieniowaniaEdit

Musimy rozróżnić liniowe źródło AAS (LS AAS) i źródło continuum AAS (CS AAS). W klasycznej LS AAS, jak to zostało zaproponowane przez Alana Walsha, wysoka rozdzielczość spektralna wymagana do pomiarów AAS jest zapewniona przez samo źródło promieniowania, które emituje widmo analitu w postaci linii węższych niż linie absorpcji. Źródła ciągłe, takie jak lampy deuterowe, są wykorzystywane jedynie do celów korekcji tła. Zaletą tej techniki jest to, że do pomiarów AAS potrzebny jest tylko monochromator o średniej rozdzielczości, jednak jej wadą jest to, że zazwyczaj dla każdego oznaczanego pierwiastka wymagana jest osobna lampa. W CS AAS, w przeciwieństwie do tego, pojedyncza lampa, emitująca widmo continuum w całym interesującym nas zakresie spektralnym, jest używana dla wszystkich pierwiastków. Oczywiście do tej techniki wymagany jest monochromator o wysokiej rozdzielczości, co zostanie omówione później.

Lampy z katodą wnękowąEdit

Lampy z katodą wnękową (HCL) są najczęściej stosowanym źródłem promieniowania w LS AAS. Wewnątrz szczelnej lampy, wypełnionej argonem lub neonem pod niskim ciśnieniem, znajduje się cylindryczna metalowa katoda zawierająca interesujący nas pierwiastek oraz anoda. Przez anodę i katodę przyłożone jest wysokie napięcie, co powoduje jonizację gazu wypełniającego. Jony gazu są przyspieszane w kierunku katody i po uderzeniu w katodę rozpryskują materiał katody, który jest wzbudzany w wyładowaniu jarzeniowym, emitując promieniowanie rozpylonego materiału, tj. interesującego nas pierwiastka. W większości przypadków stosowane są lampy jednoelementowe, w których katoda jest wytłoczona z przeważnie związków pierwiastka docelowego. Lampy wieloelementowe są dostępne z kombinacjami związków pierwiastków docelowych wtłoczonych do katody. Lampy wieloelementowe dają nieco mniejszą czułość niż lampy jednoelementowe, a kombinacje pierwiastków muszą być starannie dobrane, aby uniknąć interferencji spektralnych. Większość lamp wieloelementowych łączy w sobie kilka pierwiastków, np.: 2 – 8. Atomowe spektrometry absorpcyjne mogą posiadać zaledwie 1-2 pozycje lampy z pustą katodą lub w zautomatyzowanych spektrometrach wielopierwiastkowych, 8-12 pozycji lampy może być typowo dostępnych.

Bezelektrodowe lampy wyładowczeEdit

Bezelektrodowe lampy wyładowcze (EDL) zawierają niewielką ilość analitu jako metalu lub soli w bańce kwarcowej wraz z gazem obojętnym, zwykle argonem, pod niskim ciśnieniem. Bańka jest umieszczona w cewce, która wytwarza elektromagnetyczne pole o częstotliwości radiowej, co powoduje niskociśnieniowe wyładowanie indukcyjnie sprzężone w lampie. Emisja z EDL jest wyższa niż z HCL, a szerokość linii jest ogólnie węższa, ale EDL wymagają oddzielnego zasilania i mogą potrzebować dłuższego czasu na ustabilizowanie się.

Lampy deuteroweEdit

Deuterowe lampy wyładowcze HCL lub nawet wodorowe HCL i deuterowe lampy wyładowcze są używane w LS AAS do celów korekcji tła. Natężenie promieniowania emitowanego przez te lampy znacznie maleje wraz ze wzrostem długości fali, tak że można je stosować tylko w zakresie długości fali od 190 do około 320 nm.

Źródła promieniowania ciągłegoEdit

Gdy do AAS stosuje się źródło promieniowania ciągłego, konieczne jest zastosowanie monochromatora o wysokiej rozdzielczości, co zostanie omówione później. Ponadto konieczne jest, aby lampa emitowała promieniowanie o intensywności co najmniej o rząd wielkości większej niż typowy HCL w całym zakresie długości fal od 190 nm do 900 nm. W celu spełnienia tych wymagań opracowano specjalną wysokociśnieniową ksenonową lampę łukową o krótkim łuku, pracującą w trybie hot-spot.

SpektrometrEdit

Jak już wskazano powyżej, istnieje różnica między spektrometrami o średniej rozdzielczości, które są stosowane w LS AAS, a spektrometrami o wysokiej rozdzielczości, które są przeznaczone do CS AAS. Spektrometr zawiera urządzenie sortujące widmo (monochromator) i detektor.

Spektrometry dla LS AASEdit

W LS AAS wysoka rozdzielczość, która jest wymagana do pomiaru absorpcji atomowej jest zapewniona przez wąską linię emisji źródła promieniowania, a monochromator musi po prostu oddzielić linię analityczną od innego promieniowania emitowanego przez lampę. Zwykle można to osiągnąć przy pomocy pasma przepustowego pomiędzy 0.2 a 2 nm, czyli przy użyciu monochromatora o średniej rozdzielczości. Inną cechą charakterystyczną dla LS AAS jest modulacja promieniowania pierwotnego i zastosowanie selektywnego wzmacniacza, który jest dostrojony do tej samej częstotliwości modulacji, co postulował już Alan Walsh. W ten sposób można wykluczyć wszelkie (niemodulowane) promieniowanie emitowane np. przez atomizer, co jest niezbędne dla LS AAS. Proste monochromatory projektu Littrowa lub (lepiej) Czerny-Turnera są zwykle używane w LS AAS. Lampy fotopowielaczowe są najczęściej używanymi detektorami w LS AAS, chociaż detektory półprzewodnikowe mogą być preferowane ze względu na lepszy stosunek sygnału do szumu.

Spektrometry dla CS AASEdit

Gdy źródło promieniowania continuum jest używane do pomiarów AAS, niezbędna jest praca z monochromatorem o wysokiej rozdzielczości. Rozdzielczość musi być równa lub lepsza niż szerokość połówkowa atomowej linii absorpcyjnej (około 2 pm), aby uniknąć strat czułości i liniowości wykresu kalibracyjnego. Pionierami w badaniach nad CS AAS o wysokiej rozdzielczości (HR) były grupy O’Havera i Harnly’ego w USA, którzy opracowali również (jak dotąd) jedyny jednoczesny spektrometr wielopierwiastkowy dla tej techniki. Przełom nastąpił jednak, gdy grupa Becker-Ross w Berlinie, Niemcy, zbudowała spektrometr całkowicie zaprojektowany dla HR-CS AAS. Pierwsze komercyjne urządzenia do HR-CS AAS zostały wprowadzone przez firmę Analytik Jena (Jena, Niemcy) na początku XXI wieku, w oparciu o konstrukcję zaproponowaną przez Beckera-Rossa i Florka. W spektrometrach tych zastosowano kompaktowy podwójny monochromator z pryzmatycznym monochromatorem wstępnym i monochromatorem z siatką echelle’a dla uzyskania wysokiej rozdzielczości. Jako detektor zastosowano liniową matrycę CCD (charge-coupled device) o rozdzielczości 200 pikseli. Drugi monochromator nie posiada szczeliny wyjściowej, dlatego też otoczenie spektralne po obu stronach linii analitycznej jest widoczne z wysoką rozdzielczością. Ponieważ zwykle tylko 3-5 pikseli jest używanych do pomiaru absorpcji atomowej, pozostałe piksele są dostępne do celów korekcyjnych. Jedną z tych poprawek jest poprawka na szum migotania lampy, która jest niezależna od długości fali, co skutkuje pomiarami o bardzo niskim poziomie szumów; inne poprawki to poprawki na absorpcję tła, co zostanie omówione później.

.