ANALIZA INSTRUMENTALNA

I semestr studiów stacjonarnych II-stopnia

Wydział Rolnictwa i Biotechnologii,

kierunek - ROLNICTWO

Natalia Kasprzewska

___________________________________________________________________________

ĆWICZENIE 4. ABSORPCYJNA SPEKTOMETRIA ATOMOWA (AAS).

CEL ĆWICZENIA:

Poznanie zasady działania i budowy spektrometrów absorpcji atomowej. Ocena wpływ czasu wygrzewania lampy z katodą wnękową (HCL) na wyniki pomiarów techniką AAS. Wyznaczanie krzywych kalibracyjnych (wzorcowych) w technice absorpcyjnej i emisyjnej. Ocena wpływu składników matrycy na wielkość sygnału absorbancji. Oddziaływania fizyczne, chemiczne i spektralne w technice AAS. Oznaczanie rtęci w surowych próbkach środowiskowych za pomocą analizatora rtęci AMA-254. Statystyczna analiza wyników pomiarów otrzymanych w metodach AAS. Zapoznanie z obsługą spektrometrów absorpcji atomowej na przykładzie spektrometrów PU-9100 X, prod. Philips, Solaar 4, GFS97 Graphite Furance Thermo Elemental i AMA-254.

ZASADY POMIARU TECHNIKAMI SPEKTOMETRII ABSORPCJI ATOMOWEJ I SPEKTROMETRII EMISYJNEJ:

Spektrometria atomowa jest metoda analityczną oparta na interpretacji widm atomowych i wykorzystującą ilościowe zależności między przejściami elektronowymi. Dla zakresu promieniowania UV-Vis powstanie tych widm jest wynikiem przejść elektronów walencyjnych między określonymi poziomami energetycznymi. Widma elektronowe swobodnych atomów-budowa atomu-wnioski o charakterze analitycznym. Poziomy energetyczne elektronów w atomie można opisać za pomocą 4 liczb kwantowych:

1. głównej liczby kwantowej n, n=1,2,3,… (kolejnym n odpowiadają powłoki K., L, M,…

definiującej główny poziom energetyczny elektronu wobec jądra

2. orbitalnej (pobocznej) liczby kwantowej l, l=0,1,2,…, n-1, orbitale: s, p, d, f

3. magnetycznej liczby kwantowej m, m=-l,…l

4. spinowej liczby kwantowej s, s=+1/2 lub s=-1/2

Orbitale są obsadzane przez elektrony według wzrastającej energii. W atomie nie mogą znajdować się 2 elektrony mające takie same 4 liczby kwantowe (zakaz Pauliego). Konfigurację elektronową atomów przyjęto zapisywać za pomocą głównej i pobocznej liczby kwantowej: np. Na: 1s² 2s² 2p⁶ 3s¹. Absorpcja promieniowania przez atom powoduje przejście elektronu walencyjnego z poziomu podstawowego – np. dla Na jest to poziom 3s na poziom wzbudzony, a emisja jest związana z przejściem elektronu z poziomu wzbudzonego na poziom podstawowy.

W atomie jest wiele poziomów energetycznych, na które mogą zostać przeniesione elektrony wzbudzone. Oznacza to, że atom sodu może absorbować wiele charakterystycznych długości fal. Dla przejść elektronów walencyjnych jest to energia promieniowania w zakresie UV-Vis. Średni czas trwania atomu w stanie wzbudzonym jest bardzo krótki, rzędu 10^-8 s. Po tym czasie elektron, wracając do stanu podstawowego, emituje energię dokładnie taką, jaka była potrzebna do przejścia w stan wzbudzony. Porcje energii czyli promieniowanie o określonej częstotliwości lub określonej długości fali, które jest absorbowane przez dany atom jest emitowane podczas powrotu do stanu podstawowego. Oznacza to, że atom może absorbować promieniowanie elektromagnetyczne tylko o takiej długości fali, przy której może je emitować i jest ono charakterystyczne dla danego pierwiastka. Zjawisko to jest podstawą analizy jakościowej metodą atomowej spektrometrii absorpcyjnej. Dzięki temu możliwe jest oznaczanie wielu pierwiastków zawartych w próbce w sposób niezależny od siebie (metoda jest bardzo selektywna). Przejściom elektronów pomiędzy różnymi poziomami energetycznymi odpowiadają różne częstotliwości promieniowania, których zbiór stanowi charakterystyczne dla danego pierwiastka widmo atomowe (widmo liniowe). Do celów analitycznych należy dokonać wyboru jednej z wielu różnych linii absorpcyjnych. Przejście elektronu ze stanu o niższej energii do stanu o energii wyższej można opisać równaniem:

𝑀_Ep +h𝜈 → 𝑀_Ek

Przejście elektronu ze stanu o wyższej energii do stanu o energii niższej można opisać równaniem:

𝑀 _Ek → 𝑀_Ep +h𝜈

w obu przypadkach różnica energii wynosi:

Δ𝐸 = h𝜈=$\frac{\mathbf{\text{hc}}}{\mathbf{\lambda}}$= hcṽ

gdzie: h-stała Plancka- 6,626 10^-34 J∙s Najniższy poziom, na który może być przeniesiony elektron ze stanu podstawowego, nazywa się poziomem rezonansowym, a odpowiadająca mu linia linią rezonansową. Im wyższa energia jest dostarczana do atomu, tym elektrony są wzbudzane na wyższe poziomy i tym większą liczbę linii obserwujemy w widmie. Jeśli dostarczona energia odpowiada potencjałowi jonizacji atomu tworzą się jony np. Na+. W metodach spektrometrii atomowej absorpcyjnej lub emisyjnej badamy z reguły widma plazmy termicznej. Plazma termiczna to układ rozgrzany do temperatury > 1000K w stanie gazowym, który zawiera swobodne atomy i jony w różnych stanach wzbudzenia, swobodne elektrony, rodniki, jony cząsteczkowe, cząsteczki. Plazmy takie otrzymujemy w płomieniach różnych palników, łuku i iskrze elektrycznej, rozgrzanej kuwecie grafitowej. W promieniowaniu emitowanym przez plazmę obserwujemy:

• widma liniowe – emitowane przez swobodne atomy i jony

• widma pasmowe i ciągłe – które są wynikiem oddziaływania cząsteczek z promieniowaniem elektromagnetycznym.

Pierwiastki metaliczne występują z reguły w postaci związków organicznych lub nieorganicznych, zatem do wywołania zjawiska absorpcji należy przeprowadzić je w stan atomowy - stan pary zdolny do absorpcji promieniowania (poziomy energetyczne w atomach pierwiastka mają określoną wartość tylko w stanie gazowym). Ze względu na czułość i selektywność metody korzystne jest, aby wszystkie lub przynajmniej zdecydowana większość atomów znajdowała się w swoim stanie podstawowym. Gdy stosuje się plazmy niskotemperaturowe (temperatura od 1000K do 4000K uzyskiwana w płomieniu i kuwetach grafitowych), większość atomów znajduje się w stanie podstawowym, niezalenie od tego czy pierwiastek wzbudza się łatwo (np. sód), czy trudno (np. cynk). Zasada pomiarów metodą AAS polega na tym, że linia rezonansowa oznaczanego pierwiastka o natężeniu I₀, emitowana ze źródła promieniowania przechodzi przez atomizer, w którym jest absorbowana przez obecne tam wolne atomy. Ta część promieniowania (linii rezonansowej), która nie została pochłonięta przez wolne atomy, dociera poprzez monochromator do detektora, który mierzy jej natężenie (I). Porównanie I i I₀ daje absorbancję proporcjonalną do stężenia oznaczanego pierwiastka. Linie atomowe mają kształt krzywych Gaussa i charakteryzują się intensywnością oraz szerokością określaną przez szerokość połówkową mierzoną w połowie wysokości piku. Naturalna szerokość linii w zakresie promieniowania UV-Vis stosowanych w AAS wynosi ok.10^-6–10^-4 nm. W atomizerze szerokość linii absorpcyjnej będzie większa z powodu poszerzenia temperaturowego (tzw. poszerzenie dopplerowskie) oraz poszerzenia ciśnieniowego (zjawisko Lorentza). W obu przypadkach wartość tego poszerzenia wynosi ok. 10-3 nm i jest o dwa rzędy większa od szerokości naturalnej linii absorpcyjnej. Dlatego szerokość połówkowa linii emitowanej ze źródła promieniowania powinna być zdecydowanie mniejsza niż szerokość linii absorpcyjnej ze względu na czułość (im mniejsza szerokość linii emitowanej tym większy jej zakres będzie objęty absorpcją) i jak najmniejsza ze względu na specyficzność metody (możliwość nakładania się linii spektralnych innych pierwiastków). Uzyskuje się to przez zastosowanie wyższej temperatury w atomizerze od temperatury w lampie emitującej.

EMISJA ATOMOWA:

Badana próbka poddana działaniu wysokiej temperatury zostaje wzbudzona. Dokonywane jest to zwykle w płomieniu palnika W momencie, kiedy mamy do czynienia ze stanami niestabilnymi, atomy spontanicznie powracają do stanu podstawowego emitując energię w postaci światła. Spektrum emisyjne określonego pierwiastka przedstawia zbiór długości fali określany jako widmo, ze względu na dyskretny charakter emitowanych długości fali. Intensywność linii emisyjnych wzrasta stosownie do liczby wzbudzonych atomów pierwiastka.

ADSORPCJA ATOMOWA:

Atom będący w stanie podstawowym absorbuje energię o określonej długości fali wchodząc tym samym w stan wzbudzony. Ilość zaabsorbowanej energii determinowana jest ilością atomów poddawanych wzbudzeniu. Z kolei użycie określonego źródła światła i selekcja długości fali pozwala na określenie pierwiastków, z jakimi mamy do czynienia.

Istnieje kilka podstawowych różnic pomiędzy atomową emisją i atomową absorpcją. W przypadku atomowej emisji, płomień palnika ma do spełnienia dwa cele: jego zadaniem jest przeprowadzenie próbki aerozolu wprowadzonego w płomień w stan pary oraz przeprowadzenie atomów w stan wzbudzony. Kiedy atomy wracają do stanu podstawowego emitują światło, które jest wykrywane przez aparaturę. Intensywność emitowanego światła jest zależna od stężenia pierwiastka oznaczanego w próbce. W przypadku atomowej absorpcji, jedyną funkcja płomienia jest przeprowadzenie próbki w stan pary, w którym następuje absorpcja światła emitowanego ze źródła światła (jest nim zwykle lampa z katodą wnękową bądź lampa w wyładowaniem bezelektrodowym).

NAJPROSTSZY SCHEMAT URZĄDZEŃ POMIAROWYCH ASS

CZĘŚĆ PRAKTYCZNA:

1. Po włączeniu spektrometru PU-9100 X, prod. Philips, wykonano pomiary absorbancji celem uzyskania krzywej wzorcowej dla Cd. Do wyznaczenia krzywej wykorzystano roztwory wzorcowe o stężeniu 0, 1, 2 i 4 µg Cd·cm^-3. Następnie zmierzono 20 razy absorbancję wzorca o stężeniu 4 µg Cd·cm^-3. Całą procedurę powtórzono po 20 minutach pracy spektrometru.

Nr wzorca	c Cd [µg/cm3]	ABS
BLANK	0	0,001
STD 1	1,000	0,113
STD 2	2,000	0,206
STD 3	4,000	0,367
1	4,091	0,375
2	4,114	0,376
3	4,108	0,376
4	4,108	0,376
5	4,136	0,378
6	4,167	0,381
7	4,162	0,380
8	4,181	0,382
9	4,196	0,383
10	4,187	0,382
11	4,184	0,382
12	4,192	0,383
13	4,229	0,386
14	4,264	0,388
15	4,260	0,388
16	4,247	0,387
17	4,306	0,392
18	4,263	0,388
19	4,296	0,391
20	4,293	0,391
średnia		0,363
odchylenie standardowe		0,0660323

Wykres zależności A - absorbancja od c -stężenie Cd (µg·cm^-3) oraz wyznaczono równanie regresji liniowej oraz współczynniki korelacji Persona, przy założonym przedziale ufności α=0,05.

Oszacować wpływ czasu pracy spektrometru (wygrzewania lampy HCL i wygrzewania systemu palnika) na wielkości uzyskanych sygnałów absorbancji. Wyjaśnić przyczyny zmian sygnału analitycznego.

Bardzo krótki czas pomiaru absorbancji (np. 2 ms) ma decydujące znaczenie podczas pomiaru szybko zmieniających się sygnałów (piki w kuwecie grafitowej).

Nr wzorca	c Cd [µg/cm3]	ABS
BLANK	0	0
STD 1	1,000	0,108
STD 2	2,000	0,205
STD 3	4,000	0,369
1	4,039	0,372
2	4,064	0,374
3	4,092	0,376
4	4,094	0,377
5	4,071	0,375
6	4,098	0,377
7	4,155	0,382
8	4,124	0,379
9	4,116	0,378
10	4,122	0,379
11	4,067	0,376
12	4,148	0,381
13	4,092	0,376
14	4,106	0,378
15	4,105	0,377
16	4,164	0,382
17	4,136	0,380
18	4,132	0,380
19	4,160	0,382
20	4,187	0,384
średnia		0,343625
odchylenie standardowe		0,0655056

B. Wykonać po 20 pomiarów zawartości Cd w dwóch próbkach roztworów kadmu o stężeniu
2 µg Cd·cm^-3, które zróżnicowane są pod względem składu chemicznego matrycy:

- próbka 1 - matrycę stanowią Cd(NO₃)₂, HNO₃ i H₂O

- próbka 2 - matrycę stanowią Cd(NO₃)₂, HNO₃, H₂O i NaCl.

Punkt ten nie był wykonywany podczas ćwiczeń z analizy instrumentalnej.

Określić w jaki sposób NaCl w próbkach wpływa na wyniki pomiarów sygnału analitycznego. Jak wyeliminować taki rodzaj interferencji chemicznej ?

Jednym z częściej opisywanych problemów związanych z pomiarem absorpcji atomowej jest obecność w próbce znacznych ilości NaCl, który paruje dopiero w temperaturze 1400 ºC, co w konsekwencji powoduje występowanie absorbancji niespecyficznej. Absorbancja niespecyficzna oznacza, że substancje inne niż analit również absorbują i rozpraszają promieniowanie. Rozpraszane promieniowanie imituje absorpcję, prowadzi bowiem do zmniejszenia ilości promieniowania docierającego do detektora (transmitacji) i w głównej mierze zależy od matrycy. Jest to szczególnie istotne przy oznaczaniu pierwiastków lotnych (np. kadmu). Taki rodzaj interferencji chemicznej jest najczęściej eliminowany przez zastosowanie korelacji tła. Innym sposobem może być dodatek nadmiaru azotanu amonu, który powoduje przekształcenie chlorku sodu w  azotan sodu i chlorek amonu, odparowujących w temperaturze poniżej 400 ºC. Dlatego możliwe jest odparowanie chlorków przed procesem atomizacji:

NaCl + NH4NO3 → NaNO3 + NH4Cl

1400 ºC 210 ºC 380 ºC 330 ºC

C. Wykorzystując spektrometr PU-9100 X, prod. Philips, wyznaczyć techniką spektrometrii emisyjnej krzywe kalibracyjne dla sodu. Do wyznaczenia krzywych wykorzystać roztwory wzorcowe o stężeniu 0, 1, 2, 4 i 6 µg Na·cm^-3. Wyznaczyć dwie krzywe kalibracyjne - dla położenia palnika pod kątem 0 i 30^o.

	Położenie palnika pod kątem 0
	emisja [E]
BLANK	0,000
STD 1	1,000
STD 2	2,000
STD 3	4,000
STD 4	6,000

Graficznie zależność: emisja (E) od stężenia c (µg Na·cm^-3)

	Położenie palnika pod kątem 30
	emisja [E]
BLANK	0,000
STD 1	1,000
STD 2	2,000
STD 3	4,000
STD 4	6,000

Graficznie zależność: emisja (E) od stężenia c (µg Na·cm^-3)

Wyjaśnić dlaczego wskutek zmiany kąta położenia palnika rejestrowane są różne sygnały analityczne.

Odpowiednie ustawienie głowicy palnika w zależności do ścieżki światła wyznaczonej przez źródło promieniowania jest konieczne, aby uzyskać maksymalną czułość aparatury. Wysokość palnika powinna być ustawiona na początku przez obniżenie palnika (przy wyłączonym płomieniu) dopóki głowica palnika nie znajdzie się znacznie poniżej promienia światła, a następnie powinno nastąpić wyzerowanie odczytu. Należy powoli obniżać palnik do momentu aż głowica przetnie promień świetlny (co zostanie uwidocznione na odczycie). Następnie palnik powinien być powoli obniżany do momentu aż odczyt wskaże zero(oznacza to, że palnik jest właśnie poniżej linii promienia świetlnego). Dla pierwiastków, które wymagają bogatego w paliwo płomienia, wysokość palnika powinna być optymalizowana za pomocą roztworu standardowego przy włączonym płomieniu i przy powolnym obniżaniu palnika do momentu uzyskania maksymalnego sygnału (po  obniżeniu palnika należy sprawdzić ponownie wyzerowanie aparatury i w razie konieczności ustawić ponownie). Regulacje w płaszczyźnie poziomej (przód-tył oraz obrót) muszą być wykowywane przy włączonym płomieniu w czasie badania roztworu standardowego pierwiastka poddawanego analizie. Sygnał analityczny produkuje stężenie pierwiastka wyrażone w mg/L o wielkości w  przybliżeniu 0.2 jednostek absorbancji przy optymalnej długości fali. Wartość ta jest bardzo użyteczna podczas ustawień instrumentu. Pozwala dostosować pozycję palnika, nebulizer, przepływ gazu dając szacunkową wartość absorbancji, jaką należy otrzymać przy określonym stężeniu.

D. Przygotowano łódeczki niklowe do oznaczania całkowitej zawartości rtęci za pomocą analizatora rtęci AMA-254 (umyte pod bieżącą wodą; wypłukane trzykrotnie wodą zdejonizowaną; wyprażone w palniku gazowym). Na wadze analitycznej WPA 180/C odważono do przygotowanych łódeczek próbkę gleby. Wielkość naważki nie przekraczała 0,3g. Ważenie wykonano z dokładnością do czwartego miejsca po przecinku. Wykonano pomiary całkowitej zawartości Hg wg programu: czas suszenia 45 sek.; czas mineralizacji 120 sek.; czas pomiaru 45 sek.

OZNACZANIE RTĘCI:

Masa naważki: 13,3401 mg

Wynik pomiaru, tj. stężenia Hg = 0,0217 ppm

Dawka śmiertelna dla człowieka do ok. 1g Hg. W związku z czym:

0,0217 ppm=0,0217 mg/kg=0,0217 g/mg.

Dawka 0,0217 ppm nie jest szkodliwa dla człowieka w przypadku spożywania jakiegokolwiek produktu spożywczego.

Z kolei dopuszczalne stężenie w glebach ciężkich wynosi 2,00 mg/kg (Min.Roln., 2002) oraz stężenie w wodach III klasy wynosi 0,01 ml/l. Tak więc:

1 ppm = 0,01 ml/l

0,0217 ppm = x ml/l

x = 0,000217 ml/l

Reasumując: badana próbka nie przekracza żadnego z wyżej wymienionych dopuszczalnych stężeń. Z całą pewnością można stwierdzić, że badana próbka o stężeniu 0,0217 ppm nie wykazuje żadnych zagrożeń dla zdrowia ludzi oraz dla środowiska naturalnego.