Potencjometria. Jest to metoda instrumentalna, stosowana powszechnie do pomia­ru stężenia jonów wodorowych. Można nią również oznaczyć stężenie innych jonów, stosując odpowiednie elektrody jonoselektywne. Do pomiarów potencjome­trycznych służy układ, składający się z następujących dwóch zasadniczych części: ogniwa pomiarowego zbudowanego z dwóch elektrod - porównawczej i wskaźnikowej (pomiarowej), oraz potencjometru, czyli przyrządu pomiarowego pozwalają­cego na pomiar siły elektromotorycznej tego ogniwa.

Elektrody porównawcze. Posługiwanie się pierwotnie stosowaną elektrodą wodorową jako porównawczą jest w praktyce uciążliwe, dlatego wprowadzono inne, wygodne w użyciu elektrody porównawcze, których potencjał normalny jest stały i powtarzalny niezależnie od stężenia badanego roztworu. Jako elektrody porównawczej używa się najczęściej elektrody kalomelowej albo chloro­srebrowej. Ich potencjał zależy od stężenia anionu tworzącego z metalem trudno rozpuszczalny związek.

Elektroda kalomelowa zbudowana jest z rurki szklanej zawierającej rtęć, warstwę kalomelu (HgCl₂) i roztwór KCl. Kalomel w niewielkim stop­niu rozpuszcza się, więc rtęć (Hg) styka się z roztworem swoich jonów (Hg²⁺), co jest źródłem potencjału elektrody. Jego wartość zależy tylko od stężenia (aktywności) jonów Hg²⁺, które z kolei określa iloczyn rozpuszczalności (Ir) kalomelu w środowisku KCl: IrHg₂Cl₂ = [aHg²⁺] * [aCl^-]² = const

aHg₂²⁺ = IrHg₂CI₂ / [a_Cl-]²

W rzeczywistości więc potencjał elektrody zależy od stężenia CI^-. Im bardziej stężony będzie roztwór KCI, tym mniejsza będzie rozpuszczalność HgCI₂, mniejsze stężenie Hg²⁺ i dodatni ładunek elektrody będzie mniejszy.

Potencjał elektrody kalomelowej po zamontowaniu w ogniwo jest stały, nie­zależny od stężenia badanego roztworu. Gdy w czasie pomiaru odbieramy z elektrody elektrony (2 Hg⁰ ↔ Hg₂²⁺ + 2e-), wówczas określona ilość rtęci metalicznej przechodzi do roztworu w formę jonową. Jednak wobec nadmiaru jonów Cl^- jony rtęci (Hg²⁺) wytrącają się w formie osadu kalomelu:

Hg₂²⁺ + 2 Cl^- Hg₂Cl₂

Przy doprowadzeniu elektronów do układu, jony rtęci przechodzą w rtęć metaliczną (Hg₂²⁺ + 2e^- 2 Hg⁰), ale jednocześnie odpowiednia ilość kalomelu ulega rozpuszczeniu (Hg₂C1₂ Hg₂²⁺ + 2 Cl^-). W obu przypadkach stężenie jonów (Hg₂²⁺) i (Cl^-) nie zmienia się, tym samym potencjał elektrody jest stały.

Elektrodę chlorosrebrową stanowi drut srebrny pokryty warstewką AgCI naniesioną elektrolitycznie. Drut zanurzony jest w roztworze KCl. Zasada działania elektrody jest podobna jak elektrody kalomelowej. Jej potencjał uzależniony jest od stężenia jonów chloru. Elektroda ta zanurzona w nasyconym KCI ma stały potencjał. Ze względu na światłoczułość AgCI jest ona mało trwała, dlatego w czasie przechowywania należy chronić ją przed dostępem światła.

Elektrody wskaźnikowe (pomiarowe) wykazują działanie selekty­wne, co oznacza, że stężenie określonego jonu można określić tylko za pomocą czułej na ten jon elektrody. Obecnie jako elektrody wskaźnikowe stosuje się prawie wyłącznie elektrody membranowe. Wymiana jonowa między badanym roztworem a membraną jest źródłem potencjału elektrody.

Elektrody wskaźnikowe można umownie podzielić na dwie grupy: elektrody do pomiaru stężenia jonów wodorowych (pH) i elektrody do pomiarów innych jonów (kationów i anionów), tzw. elektrody jonoselektywne.

Obecnie do pomiarów pH stosuje się elektrodę szklaną oraz pochodną jej ­szklaną elektrodę zespoloną. Elektroda szklana składa się z rurki szklanej, na której końcu znajduje się cienkościenna banieczka zbudowana ze specjalnego szkła tworzącego pewnego rodzaju membranę. Wnętrze jej wypełnia roztwór kwasu solnego, w którym zanurzona jest elektroda wyprowadzająca, służąca jako przewodnik prądu. Jest nią najczęściej elektroda chlorosrebrowa, zachowująca stały potencjał w środowisku o stałym stężeniu jonów Cl^-, a więc obojętna w sto­sunku do roztworu. Na granicy zetknięcia się bardzo cienkiej membrany szklanej z roztworem zawierającym jony H⁺ powstaje różnica potencjału. Przyczyną powstania potencjału na powierzchni granicznej szkło-roztwór jest proces wymiany jonowej, zachodzący po obu stronach szklanej membrany. Jony wodoru z roztworu badanego zastępują niektóre jednowartościowe jony w zhydratyzowanej zewnętrznej warstwie szkła. Potencjał elektrody zależy więc od poziomu równowagi, jaki ustali się między jonami w roztworze badanym a jonami wodoru w zhydratyzowanej warstwie szkła. Powstały ładunek jest przenoszony w war­stwie szkła suchego przez jony sodowe, następnie przez roztwór wewnętrzny do ele­ktrody wyprowadzającej.

W celu zmierzenia stężenia jonów H⁺, buduje się ogniwo pomiarowe z elektrody szklanej i elektrody porównawczej. SEM takiego ogniwa zmienia się zależnie od zmian potencjału na granicy faz membrana - roztwór badany.

Elektroda szklana zespolona jest pow­szechnie stosowana do pomiarów pH. Zawiera w jednym korpusie elektro­dę szklaną, jako wskaźnikową, i elektrodę porównawczą. Najczęściej występuje w dwóch odmianach jako szklano-kalomelo-

wa lub szklano-chlorosrebrowa. Po zanurzeniu jej w roztworze badanym otrzymuje się gotowe ogniwo pomiarowe. Posługiwanie się taką elektrodą znacznie ułatwia technikę pomiaru.

Elektrody jonoselektywne (EJS) stanowią grupę elektrod wskaźnikowych wykazujących selektywną czułość na różne jony. Najistotniejszą ich częścią jest stała lub ciekła membrana. Selektywną czułość na różne jony uzyskano przez odpowiedni dobór związku chemicznego, stanowiącego materiał elektroaktywny membrany.

Sposób oznaczania za pomocą EJS jest taki sam, jak przy użyciu elektrod szklanych. W celu wykonania pomiarów, należy zbudować ogniwo pomiarowe w układzie EJS - elektroda kalomelowa. Różnice w sposobie oznaczania wynikają tylko z indywidualnych cech danego typu elektrody.

Do precyzyjnego pomiaru SEM ogniwa galwanicznego, zbudowanego z elek­trod wskaźnikowej i porównawczej, służy potencjometr wyskalowany w miliwol­tach lub jednostkach pH. Bezpośredni pomiar napięcia ogniwa pomiarowego przy użyciu zwykłego miliwoltomierza jest niemożliwy. Ogniwa galwaniczne sto­sowane w potencjometrii mają taką małą pojemność, że bezpośredni pomiar prowadziłby do wyczerpania ogniwa i polaryzacji elektrod.

Spektrofotometria absorpcyjna (kolorymetria). Spektrofotometria jest me­todą o bardzo szerokim zastosowaniu, można nią oznaczyć prawie wszystkie metale i niemetale oraz wiele związków organicznych. W zależności od zaadsor­bowanej długości fali wyróżnia się spektrofotometrię w nadfiolecie (UV), w świetle widzialnym (VIS) i w podczerwieni (IR).

Zasada pomiaru w spektrofotometrii VIS polega na wytworzeniu związków barwnych oznaczanego pierwiastka, które mają zdolność pochłaniania promieniowania elektromagnetycznego o określonej długości fali. Natężenie emito­wanej wiązki promieniowania po przejściu przez taki ośrodek absorpcji, zawiera­jący barwne związki oznaczanego pierwiastka, ulegnie zmniejszeniu proporcjona­lnie do jego stężenia. Związki barwne zdolne do absorpcji najczęściej powstają w wyniku chemicznego połączenia oznaczanego pierwiastka z odpowiednim odczynnikiem organicznym lub nieorganicznym, co prowadzi do utworzenia barwnego kompleksu, najczęściej typu chelatowego. Związki barwne oznaczanego pierwiastka mogą tworzyć się również w wyniku reakcji prowadzących do powstania zabarwionych jonów. Przykładem jest reakcja utleniania, w której wyniku powstają fioletowe jony nadmanganianowe lub żółtopomarańczowe jony dwuchromianowe.

Metoda spektrofotometrii może być również stosowana do oznaczania zawartości różnych substancji organicznych przy wykorzystaniu ich własnego zabarwienia lub zabarwienia produktów reakcji z ich udziałem. Spektrofotometria absorpcyjna, w odróżnieniu od spektrofotometrii atomowej (ASA) dotyczącej

absorpcji przez atomy, polega na absorpcji promieniowania przez cząsteczki ośrodka badanego. Zdolność do absorpcji jest ściśle związana z obecnością w cząsteczkach barwnych ugrupowań chromoforowych i auksochromowych. U gru­powania chromoforowe są to ugrupowania atomów z wielokrotnymi nienasycony­mi wiązaniami zawierającymi ruchliwe elektrony π, na przykład: C=O, -C=C-, C=C,=C=N,-C=N,-N=O.

Ugrupowania auksochromowe są to niektóre grupy funkcyjne łatwo oddające elektrony, na przykład: -NH₂, -OH, -SH, -CH₃, -CI, -Er.

Pod wpływem naświetlania układów barwnych część promieniowania zostaje zaadsorbowana przez grupy chromoforowe i auksochromowe obecne w cząste­czkach, co powoduje wzrost ich stanu energetycznego. Zjawisko to związane jest z przejściem elektronów między poziomami zewnętrznych powłok elektronowych atomów. Wzbudzenia elektronowe występują w cząsteczkach nie tylko pod wpływem absorpcji promieniowania w zakresie widzialnym, ale również pod wpływem promieniowania ultrafioletowego (UV). Zmiany energii w cząsteczkach pod wpływem absorpcji promieniowania podczerwonego (IR) są innego charakte­ru. Wiążą się one ze zmianą energii oscylacyjnej w cząsteczce. Prowadzi to do zmiany normalnego zakresu drgań atomów, powodując zmiany odległości atomów lub grup atomów w cząsteczce czy zmianę kątów między wiązaniami.

Graficznym obrazem absorpcji danej substancji jest widmo absorpcji. przed­stawia ono zależność funkcyjną między absorpcją a długością fali. Układy barwne absorbują selektywnie tylko promieniowanie o określonej długości fali. Charakte­rystyczną cechą każdego widma jest długość tali, przy której układ barwny wyka­zuje maksymalną absorpcję. Zwykle przy tej długości fali prowadzi się pomiary absorpcji w analizie ilościowej. Jest to tzw. analityczna długość fali (A analityczna). Absorpcja promieniowania (A) zależy od liczby cząsteczek absorbujących, czyli od stężenia analizowanego roztworu, co matematycznie wyraża prawo Lamberta - Beera:

A = wcl

gdzie:

A - absorpcja promieniowania,

w - molowy współczynnik absorpcji, którego wielkość zależy od długości fali światła padającego, rodzaju substancji absorbującej i jej temperatury,

c - stężenie analizowanej substancji [mol * dm³],

l - grubość warstwy roztworu [cm].

Aparat do pomiaru absorpcji światła składa się z następują­cych podstawowych podzespołów: źródła promieniowania, układu do regulacji dłu­gości fali światła, detektora promieniowania i urządzenia pomiarowego podającego wartość liczbową pomiaru. Źródło promieniowania emituje promieniowanie w zakresie widzialnym i bliskiej podczerwieni. Stosuje się do tego celu zwykle lampę wolframową (420-750 nm) lub rtęciową (365-750 nm). W aparatach używanych jednocześnie do pomiarów w zakresie widzialnym i ultrafioletu stosuje się dodatkowo źródło promieniowania ultrafioletowego, którym zwykle jest lampa deuterowa, emitująca widmo wodoru cząsteczkowego w zakresie 200-350 nm. Układ do regulacji długości fali światła padającego służy do uzyskania wiązki promieniowania o długości fali odpowiadającej maksimum absorpcji danej sub­stancji. W fotometrach jest to odpowiedni zestaw filtrów, w spektrofotometrach ­monochromator. Filtry mogą być barwne lub interferencyjne, ich zdolność rozdzielcza jest mała. Filtry barwne umożliwiają uzyskanie wiązki promieniowania o szerokości spektralnej 25-30 nm, filtry interferencyjne około 15 nm. Monochro­matory pozwalają rozdzielić wiązkę świetlną na wiele pasm o bardzo wąskim zakresie długości fali, rzędu kilku, a nawet dziesiątych części nanometru. Uzyskane w ten sposób światło jest prawie ściśle monochromatyczne, co umożliwia uzyska­nie dużej precyzji oznaczeń. Wyróżniamy dwa typy monochromatorów: pryzmaty­czne i siatkowe.

Monochromatory pryzmatyczne zbudowane są z kryształów kwarcu. Ich dzia­łanie opiera się na wykorzystaniu zależności między wielkością kąta załamania światła na granicy dwóch ośrodków a długością fali światła padającego.

Monochromatory siatkowe działają na zasadzie siatki dyfrakcyjnej. Najprost­szą siatkę stanowi szereg szczelin umieszczonych w równych odległościach na nieprzezroczystym ekranie. Równoległa wiązka światła przepuszczona przez szczeliny takiego ekranu ulega rozdzieleniu we wszystkich kierunkach. Zjawisko to nazywa się dyfrakcją, czyli ugięciem prostoliniowego biegu promieni. Promienie te mogą się na siebie nakładać, czyli interferować, i w efekcie część ich ulega wygaszeniu, a część wzmocnieniu. W praktyce siatkę dyfrakcyjną otrzymuje się przez porysowanie płytki szklanej szeregiem równoległych rys. Rysy, jako nieprze­puszczalne dla światła, pełnią rolę zasłon, a przestrzenie między rysami stanowią szczeliny. Zdolność rozdzielcza, czyli jakość monochromatorów siatkowych,

zależy od precyzji nacięć siatki (około 1000 nacięć na 1 mm). Odmianą monochro­matora siatkowego jest monochromator działający na zasadzie siatki odbiciowej, która różni się od siatki dyfrakcyjnej tym, że szczeliny zastąpione są powierzch­niami odbijającymi.

Detektor promieniowania zamienia promieniowania świetlne na prąd elektry­czny o niewielkim natężeniu. Jako detektory najczęściej stosuje się fotoogniwo lub fotokomórkę.

Fotoogniwo składa się z warstwy półprzewodnika (najczęściej sele­nu) nałożonej na płytkę żelazną. Na powierzchnię półprzewodnika napylona jest cienka, przeźroczysta dla światła warstewka srebra, stanowiąca jeden biegun ogni­wa. Drugi biegun stanowi płytka żelazna. Pod wpływem padającego światła w warstwie półprzewodnika wyzwalają się swobodne elektrony, które przechodząc do warstewki metalicznej, ładują ją ujemnie. Łącząc bieguny fotoogniwa otrzymuje się obwód, w którym powstanie słaby prąd elektryczny, proporcjonalny do natężenia światła. Fotoogniwa stosowane są tylko w zakresie światła widzialnego. Fotokomórka składa się z bańki szklanej wypełnionej rozrzedzonym gazem szlachetnym, w której umieszczone są dwie metalowe elektrody, katoda i anoda, będące pod napięciem prądu. Katoda pokryta jest materiałem Światło­czułym, który pod wpływem naświetlenia emituje elektrony przyciągane następnie przez anodę w wyniku różnicy potencjałów. Natężenie powstałego w ten sposób prądu, po odpowiednim wzmocnieniu, rejestruje galwanometr. Fotokomórki stoso­wane są w zakresie światła widzialnego i nadfioletu.

Urządzenie pomiarowe służy do precyzyjnego pomiaru napięcia lub natężenia prądu wzbudzonego w detektorze.

Światło emitowane przez źródło promieniowania przechodzi przez kondensor, a następnie po odbiciu od zwierciadła przez szczelinę wejściową oraz układ achromatyczny, trafiając do monochromatora, którym jest siatka dyfrakcyjna

typu odbiciowego. Używając bębna poru­szającego siatkę, można przepuścić przez szczelinę wyjściową monochromatora wiązkę o potrzebnej długości fali. Szero­kość spektralna wiązki monochromaty­cznej przepuszczanej przez szczelinę wyjściową jest stosunkowo duża i wynosi 12 nm. Monochromatyczna wiązka Świat­ła, o określonej długości, poprzez szcze­linę wyjściową trafia na kuwetę z analizo­wanym roztworem i pada na fotoogniwo selenowe. Powstały fotoprąd po wzmoc­nieniu trafia do urządzenia pomiarowego.

W bieg wiązki światła spektrofotometru jednowiązkowego wstawia się najpierw próbę ślepą, ustawiając transmisję na 100%, a następnie wstawia próbę badaną i odczytuje odpowiednią wartość absorpcji.

Spektrofotometry wyższej klasy są budowane jako dwuwiązkowe.

W aparatach tych ze źródła światła wy­dzielane są dwie identyczne wiązki pro­mieniowania, z których jedna przechodzi przez próbę ślepą, a druga przez badany roztwór. Obie wiązki trafiają do detektora, a następnie układ elektroniczny przy­rządu mierzy stosunek przepuszczalności obu wiązek lub różnicę absorpcji. Układ dwuwiązkowy umożliwia dokładniejszy pomiar, ponieważ eliminuje zakłócenia

związane z fluktuacją źródła promieniowania. Wszelkie zmiany napięcia lampy emitującej promieniowanie jednakowo wpływają na przepuszczalność obu wiązek, co nie zmienia ich wzajemnego stosunku.

Emisyjna spektrometria atomowa (ESA). Zasada tej metody polega na wyko­rzystaniu zdolności wzbudzonych atomów lub jonów danego pierwiastka do emisji promieniowania elektromagnetycznego o ściśle określonej długości fali. Wzbudze­nie atomów odbywa się w wyniku procesu termicznego w płomieniu, do którego wprowadza się roztwór analizowanej substancji w formie aerozolu. Proces ten polega na zderzeniach atomów z elektronami, przy czym elektrony oddają atomom energię równą lub większą od energii ich wzbudzenia. Jeżeli atom w stanie podstawowym (Ep) otrzyma wystarczająco dużą ilość energii, to nastąpi prze­niesienie jednego z jego elektronów na wyższy poziom energetyczny i atom przejdzie w stan wzbudzony (Ew). Atom w tym stanie jest nietrwały i następuje powrót elektronu na niższy poziom energetyczny do stanu podstawowego, co powoduje emisję energii w postaci kwantu promieniowania (hv) charakterysty­cznego dla atomów danego pierwiastka.

+hv

Ep ↔ Ew

-hv

W czasie pomiaru ma się do czynienia nie z pojedynczymi atomami, ale z dużą liczbą atomów, w których jednocześnie zachodzi wiele możliwych przejść energe­tycznych. Czas trwania pojedynczego atomu w stanie wzbudzonym jest bardzo krótki (ok. 10^-8s), dlatego procesy wzbudzenia atomów i przechodzenia w stan podstawowy zachodzą równolegle. Ustala się między nimi równowaga dynami­czna, co powoduje, że natężenie emitowanego promieniowania jest względnie stałe, zależnie od liczby atomów, czyli stężenia analizowanej substancji. Atomy analizowanej substancji po wprowadzeniu do płomienia ulegają wzbudzeniu i emitują promieniowania o różnej długości fali, tworząc widmo emisyjne. Widmo to można rozdzielić za pomocą monochromatora (pryzmat, siatka dyfrakcyjna) na wiele pasm o bardzo wąskim zakresie długości fali, rzędu dziesiątych części nanometra, tzw. linii spektralnych. Najniższy poziom energetyczny, na który może być przeniesiony elektron z poziomu podstawowego, nazywa się poziomem rezo­nansowym. Powrotowi elektronu z poziomu rezonansowego do stanu podstawo­wego odpowiada emisja linii spektralnej zwanej linią rezonansową. Linie te, jako tzw. linie charakterystyczne, wykorzystywane są przy pomiarach ilościowych pierwiastków. Liczba możliwych przejść energetycznych elektronów w atomie nie jest stała i wzrasta w miarę wzrostu ilości dostarczonej energii, dlatego atom danego pierwiastka może emitować wiele linii spektralnych. Gdy dostarczona energia będzie odpowiadać wartości potencjału jonizacji danego atomu, wówczas jeden lub kilka elektronów zostanie oderwanych i powstanie jon dodatnio naładowany. Atomy poszczególnych pierwiastków wymagają różnych ilości energii do wzbu­dzenia. Łatwość wzbudzenia atomów wyraża się przez pomiar ich potencjałów wzbudzenia. Metoda emisyjnej spektrometrii, w której źródłem wzbudzenia jest najczęściej płomień acetylen-powietrze, umożliwia oznaczenie pierwiastków o niskich potencjałach wzbudzenia, rzędu kilku elektronowoltów (ev). W praktyce wykorzystuje się ją do oznaczania trzech pierwiastków: potasu, sodu i wapnia. Analiza innych pierwiastków, o wyższych potencjałach wzbudzenia, wymaga bar­dziej energetycznych źródeł wzbudzenia, takich jak iskra czy łuk elektryczny, które mają zastosowanie w spektrometrii emisyjnej.

Do pomiarów ilościowych w metodzie emisyjnej spektrometrii atomowej sto­sowane są dwa typy przyrządów: fotometry płomieniowe oraz spektrofotometry płomieniowe.

Fotometr płomieniowy jest stosunkowo prostym aparatem. Gaz palny, najczęściej acetylen, oraz gaz utleniający, zwykle powietrze lub tlen, doprowadzane są pod regulowanym ciśnieniem. Sprężony strumień powietrza zasysa analizowany roztwór przez rurkę kapilarną do rozpylacza, gdzie ulega on rozpyleniu do aerozolu. Rozpylony roz­twór wraz z powietrzem przechodzi przez łapacz kropel i trafia do komory miesza­nia, w której miesza się z doprowadzonym tam acetylenem. Powstała mieszanina spala się w płomieniu palnika, a zawarte w zasysanym roztworze pierwiastki ule­gają wzbudzeniu. Emitowane przez nie promieniowanie koncentrowane jest przez zwierciadło wklęsłe i kierowane przez układ soczewek skupiających na filtr. Aparat wyposażony jest w filtry , zwykłe lub interferencyjne, umieszczone w pierścieniu, którego obrót powoduje wprowadzenie w bieg promieni odpowiedniego filtru. Selektywnie wybrane przez filtr promieniowanie przechodzi przez regulowaną przysłonę i pada na fotoogniwo selenowe. Powstały w nim prąd, mierzony przez czuły galwanometr lusterkowy, jest proporcjonalny do natężenia promieniowania emitowanego przez wzbudzone atomy oznaczanego pierwiastka, co pozwala okre­ślić jego stężenie.

Spektrofotometr płomieniowy jest przyrządem bardziej doskona­łym od fotometru. Cechuje go większa czułość i mniejsza podatność na wpływy pierwiastków przeszkadzających. Tę lepszą jakość pomiarów uzyskano, zastępując filtry monochromatorem oraz stosując jako detektor promieniowania fotopowielacz w miejsce fotoogniwa.

Absorpcyjna spektrometria atomowa (ASA). Metoda ma zastosowanie do oznaczania pierwiastków metalicznych o wysokich potencjałach wzbudzenia (np. Mg, Mn, Zn, Cu). Zasada tej metody polega na wykorzystaniu zdolności atomów danego pierwiastka do pochłaniania promieniowania elektromagnetycznego o ściśle określonej długości fali. Atomy mogą absorbować selektywnie tylko takie promie­niowania, które są w stanie same emitować. Proces atomizacji, czyli powstawania atomów z cząsteczek analizowanej substancji, odbywa się termicznie, w płomieniu lub bezpłomieniowo w kuwecie grafitowej, ogrzewanej elektrycznie. W praktyce najszersze zastosowanie ma technika płomieniowa. W wysokiej temperaturze pło­mienia (powyżej 2000°C) związki chemiczne zawarte w analizowanym roztworze ulegają dysocjacji termicznej i powstają wolne atomy, zdolne do absorpcji promie­niowania. Atomy te nie są trwałe i część z nich może ulegać wtórnym reakcjom, takim jak: utlenianie, jonizacja, reakcje z innymi atomami, jonami czy cząste­czkami. Reakcje te niekorzystnie obniżają wydajność atomizacji. Przez odpowiedni dobór płomienia i jego regulację można te procesy znacznie ograniczyć.

Zasada pomiaru polega na absorpcji przez pierwiastek przeprowadzony w stan atomowy charakterystycznej dla niego linii analitycznej emitowanej przez źródło promieniowania. Natężenie emitowanej linii analitycznej, po przejściu przez ośrodek absorpcji, zawierający atomy danego pierwiastka, ulega zmniejszeniu proporcjonalnie do jego stężenia. Ogólna zasada pomiaru w metodzie ASA jest więc podobna do metody kolorymetrycznej, gdzie ośrodkiem absorbującym emito­wane promieniowanie są cząsteczki chemiczne.

Pomiar absorpcji w metodzie ASA podlega, podobnie jak w spektrofotometrii, podstawowemu prawu Lamberta-Beera. Zapis matematyczny tego prawa w zasto­sowaniu do metody ASA jest następujący:

A = v (Np * l) / (∆λ)

gdzie:

A - absorpcja promieniowania

v - stały współczynnik,

Np -liczba wolnych atomów w stanie podstawowym, w jednostce objętości,

l - długość drogi absorpcji promieniowania,

∆λ - szerokość połówkowa linii absorpcyjnej.

Wzór ten wskazuje, że absorpcja promieniowania jest proporcjonalna do liczby atomów w jednostce objętości i do grubości warstwy absorpcyjnej.

Podstawowy aparat do oznaczeń ASA składa się z następujących podzespołów: źródła promieniowania, atomizera z układem wprowadzania próbki, monochroma­tora, detektora z układem wzmacniającym, miernika.

Źródłem promieniowania jest lampa emitująca promieniowanie o długości fali odpowiadającej zdolności absorpcji oznaczanego pierwiastka. Najczęściej stosuje się lampy z katodą wnękową, lampy łukowe oraz lampy bezelek­trodowe.

Lampa katodowa jest to lampa z katodą wnękową, stanowiąca rurę szklaną z okienkiem kwarcowym, wypełniona neonem lub argonem. W jej wnętrze wtopiona jest katoda pokryta metalem, który chcemy oznaczać, oraz anoda wykonana z wolframu lub niklu. Po przyłożeniu napięcia między elektrodami następuje jonizacja gazu wypełniającego lampę. Jony gazu rozładowujące się na katodzie przekazują jej swą energię kinetyczną, powodując wzbudzenie atomów katody i emisję promieniowania. Lampy katodowe mogą być jednopierwiastkowe lub kilkupierwiastkowe.

Lampa łukowa jest to rura wypełniona gazem szlachetnym oraz parami ozna­czonego pierwiastka. W jej wnętrzu wtopione są elektrody wolframowe. Lampy tego typu stosowane są głównie do oznaczania metali alkalicznych.

Lampa bezelektrodowa nie jest wzbudzona prądem elektrycznym, ale pro­mieniowaniem o częstotliwości mikrofalowej. Jest ona zbudowana z cylinderka kwarcowego umieszczonego w rezonatorze generatora mikrofalowego o częstości wzbudzenia kilkudziesięciu megaherców. Cylinder wypełniony jest argonem oraz zawiera niewielką ilość oznaczanego pierwiastka.

Używanie lamp jako źródeł promieniowania jest uciążliwe, bowiem w zasadzie do każdego pierwiastka trzeba mieć oddzielną lampę. Znacznie wygodniejsze było­by zastosowanie ciągłego źródła promieniowania, z którego, za pomocą monochro­matyzacji, można by wybrać odpowiednią linię analityczną. Jednak dotychczasowe próby z takim rozwiązaniem nie powiodły się ze względu na brak źródła promie­niowania ciągłego o wystarczająco dużym natężeniu.

Atomizer służy do uwalniania atomów z cząsteczek analizowanej substan­cji. Najczęściej używanym atomizerem jest płomień, do którego w formie aerozolu doprowadza się analizowany roztwór. Do wytworzenia płomienia stosuje się mieszaninę gazów składającą się z utleniacza i gazu palnego, zmieszanych zwykle w stosunku stechiometrycznym. Jako utleniaczy stosuje się powietrze, podtlenek azotu i tlen. Gazem palnym jest najczęściej acetylen, rzadziej wodór, metan czy propan. W zależności od doboru utleniacza i gazu palnego uzyskuje się płomienie o różnych właściwościach, takich jak temperatura wpływająca na natężenie atomizacji czy szybkość rozchodzenia się płomienia, od której zależy czas przebywania atomów w strefie atomizacji. Zmianę właściwości płomienia uzyskuje się również przez regulację stosunku utleniacza do gazu palnego. Pozwala to uzyskać płomień utleniający lub redukujący. Najczęściej w analizie stosuje się płomień powietrze - acetylen. Pozwala on uzyskać w temperaturze 2300°C, co umożliwia atomizację większości pierwiastków. W analizie pierwiastków, które tworzą trudno dysocjujące tlenki odporne na temperaturę (np. Al, Mo ), stosuje się płomień podtlenek azotu - acetylen, pozwalający uzyskać temperaturę około 2750°C. Do wytworzenia płomienia w spektrometrach ASA stosuje się palniki o przepływie laminarnym, w którym zmieszanie gazów utleniającego i palnego odbywa się w komorze przed palnikiem. Palnik musi zapewniać dużą stabilność płomienia i możliwie długą drogę absorpcji. Cechy te uzyskuje się przez chło­dzenie palnika i odpowiednie wydłużenia jego szczeliny do około 10 cm.

Monochromator umożliwia oddzielenie linii analitycznej od innych linii emitowanych zarówno przez źródło promieniowania, jak i atomizer. Stosowane są do tego celu monochromatory pryzmatyczne lub siatkowe zbliżone do stosowanych w spektrofotometrach.

Detektor przetwarza promieniowanie elektromagnetyczne na sygnał elek­tryczny. W spektrometrze ASA nie stosuje się klasycznych detektorów, jakimi są fotoogniwo czy fotokomórka, lecz fotopowielacz, który jest detektorem o bardzo wysokiej czułości, pracującym jednocześnie jako wzmacniacz. Wiązka promieniowania pada na fotokatodę i wybija z niej elektrony, które padając na kolejne elektrody, tzw. dynody, tworzą wtórny strumień elektronów o wzrastającym natężeniu. Uzyskane wzmocnienie prądu fotoelektrycznego jest bardzo duże i zależy od liczby dynod umieszczonych między katodą i anodą.

Miernik umożliwia odczyt cyfrowy w skali transmisji, absorpcji lub bezpośrednio w jednostkach stężenia (μg * cm^-3). Nowoczesne aparaty wyposażone są w mikrokomputer, steru­jący funkcjami przyrządu w czasie pomiaru, między innymi pamięta on krzywą kalibracji, wykonuje wstępną obróbkę statystyczną wyników itp.

Strumień gazu utleniającego zasysa analizowany roztwór do rozpylacza (nebulizera), gdzie zostaje on rozpylony i wprowadzony do płomienia w formie aerozolu. W wysokiej temperaturze płomienia następuje odparowanie cząstek sta­łych oraz atomizacja pierwiastków zawartych w próbce. Przez płomień, zawierają­cy wolne atomy, przepuszcza się promieniowanie emitowane przez odpowiednio dobraną lampę. Część tego płomienia zostaje zaabsorbowana przez będące w stanie podstawowym atomy oznaczanego pierwiastka. W efekcie natężenie promienio­wania emitowanego przez lampę po przejściu przez płomień ulega osłabieniu proporcjonalnie do ilości zaabsorbowanej energii promienistej. To osłabienie promieniowania jest miarą zawartości oznaczanego pierwiastka w próbie. Nie zaabsorbowana część promieniowania po przejściu przez płomień kierowana jest do monochromatora, który oddziela linię analityczną od innych linii widmowych emitowanych przez źródło promieniowania (głównie gaz wypełniający lampę) oraz wysyłanych przez płomień. Oczyszczone w ten sposób promieniowanie kierowane jest do fotopowielacza, który zmienia je na sygnał elektryczny. Sygnał ten po wzmocnieniu jest mierzony przez miernik i przetwarzany na wartości transmisji, absorpcji lub stężenia. Spektrometr ASA mierzy więc przepuszczalność promie­niowania, czyli różnicę między natężeniem promieniowania przechodzącego przez ośrodek nie zawierający atomów oznaczanego pierwiastka a natężeniem promie­niowania zaabsorbowanego w ośrodku zawierającym wolne atomy oznaczanego pierwiastka.

Granice wykrywalności niektórych pierwiastków oznaczanych metodą absorp­cyjnej spektrometrii atomowej (ASA) podane są w tabeli:

Pierwiastek	Granica wykrywalności [μg * cm^-3]	Pierwiastek	Granica wykrywalności [μg * cm^-3]	Pierwiastek	Granica wykrywalności [μg * cm^-3]
Ca Mg K Na P	1,00 0,01 1,00 0,20 100000,00	Al. Fe Zn Cu Mn	20,00 0,03 1,00 1,00 2,00	Mo Pb Ni Cd Cr Co	20 10 2 2 3 10

Granice te stanowią takie stężenie pierwiastka, którego absorpcja jest równa podwójnej wartości odchy­lenia standardowego.

Granica wykrywalności jest to stężenie pierwiastka, którego absorpcja jest równa podwójnej wartości odchylenia standardowego

Potas, magnez, wapń i mikroelementy w roślinie

Potas. Zawartość potasu w roślinach wynosi najczęściej 0,4-1,2% (w s.m.) w częściach generatywnych oraz 1-5% (w s.m.) w częściach wegetatywnych. Potas jest pobierany przez korzenie roślin w formie jonu K⁺, może być również pobierany przez liście, ale tylko w niewielkich ilościach. Tak więc sposób dolistnego dokarmiania roślin potasem nie ma większego znaczenia prak­tycznego. Pobrany potas jest w roślinie bardzo ruchliwym jonem, łatwo przemie­szczającym się w ksylemie i we floemie (ulega reutylizacji). Jest on jedynym ma­kroelementem nie tworzącym wiązań kowalencyjnych ze związkami organicznymi. W obrębie komórki największe ilości K⁺ występują w wakuoli i chloroplastach.

W dojrzałych roślinach gromadzi się głównie w organach wegetatywnych. Do fazy kłoszenia u zbóż i kwitnienia u rzepaku pobieranie potasu przez rośliny jest szybsze niż tempo nagromadzania suchej masy. W przypadku buraków rośliny pobierają dużo potasu od fazy siewki do początku sierpnia, a w ziemnia­kach do fazy wiązania bulw.

Przy wysokim nawożeniu potasem lub na glebach bardzo zasobnych w ten składnik, rośliny mogą pobierać potas w ilościach znacznie większych niż wynika to z ich potrzeb pokarmowych. Zjawisko to nosi nazwę "luksusowego pobierania". Zbyt duża zawartość potasu w roślinach przeznaczonych na paszę dla przeżuwaczy (> 2,5% K w s.m.) zmniejsza ich wartość odżywczą i może być przyczyną zaburzeń pokarmowych. Wysokie nawożenie potasowe zmniejsza pobieranie magnezu i wapnia przez rośliny, zwiększając stosunek jonowy K : (Ca + Mg), co znacznie pogarsza ich wartość pastewną. Równoważnikowy stosunek tych pierwiastków w paszy przeznaczonej dla zwierząt przeżuwających nie powinien być większy niż 2,2: l.

W ostatniej fazie rozwoju roślin (np. u zbóż po kwitnieniu) potas może być wydalany do środowiska glebowego. Przyczynia się to do zmniejszenia zawartości tego pierwiastka w roślinie w fazie pełnej dojrzałości. Największe potrzeby pokarmowe w stosunku do potasu mają rośliny okopowe i pastewne, a stosunkowo małe rośliny zbożowe.

Podstawowe funkcje fizjologiczne potasu w roślinach to:

-regulacja gospodarki wodnej i wymiany gazowej, na przykład potas odgrywa zasadniczą rolę przy otwieraniu i zamykaniu aparatów szparkowych, zwiększa turgor komórek;

-aktywacja ponad 50 enzymów z grup syntetaz, oksydoraduktaz, dehydrogenaz i transferaz; te same enzymy mogą być również aktywowane przez NH₄⁺ i Rb⁺;

-udział w gospodarce azotowej roślin, jon potasu bierze udział w transporcie NO3- w ksylemie;

-udział w syntezie białek, przy braku potasu nagromadzają się w roślinie proste związki azotowe, a wśród nich toksyczne aminy (np. putrescyna);

-poprawia odporność roślin na stresy, na przykład zwiększając stężenie soku komórkowego roślin zwiększa się ich mrozoodporność, rośliny wytwarzają grubsze błony komórkowe, co zmniejsza porażenie przez choroby i mszyce, lepszy rozwój tkanek mechanicznych zmniejsza podatność zbóż na wyleganie. Objawy niedoboru potasu zaczynają się na starszych liściach plamami chlorotycznymi i nekrotycznymi (od wierzchołków i brzegów blaszki). Inne obja­wy to zniekształcenie blaszek, zahamowanie wzrostu, u kukurydzy zahamowanie wytwarzania wierzchołków kolb.

Magnez. Zawartość magnezu w suchej masie roślin wynosi 0,06-0,4%. Jest pobierany dobrze zarówno przez korzenie, jak i liście roślin w formie Mg²⁺, przemieszcza się głównie w ksylemie, w mniejszym stopniu we floemie. Ulega w roślinie reutylizacji, ale w mniejszym zakresie niż potas. Jego pobieranie może być ograniczane przez wysokie stężenie w roztworze glebowym jonów K⁺ i NH₄⁺ (antagonizm jonowy). Występuje w roślinach głównie w chlorofilu, wakuoli (w formie fosforanów) i w ścianach komórkowych w powiązaniu z pektynianami. Zawartość jego jest podobna w poszczególnych organach roślin.

Podstawowe funkcje fizjologiczne magnezu to:

-udział w fotosyntezie, 6-25% ogólnej zawartości magnezu w roślinie występu­je w chlorofilu;

-aktywator enzymów uczestniczących w oddychaniu, występując w RNA jest niezbędny do syntezy białek;

-aktywny udział w przenoszeniu reszt fosforanowych;

-5-10% ogólnej zawartości magnezu w roślinie znajduje się w ścianach komórkowych w połączeniu z pektynianami.

Objawy niedoboru występują głównie na starszych liściach, w okresie intensy­wnego wzrostu roślin jednoliściennych, w postaci żółtych plam między żyłkami, tzw. marmurkowatość, u roślin dwuliściennych plamy między żyłkami przechodzą w nekrozy. Duże wymagania pokarmowe w stosunku do magnezu mają: buraki cukrowe i pastewne, kukurydza, lucerna i koniczyna, średnie - rzepak, strączkowe i ziemniaki, a małe - zboża.

Wapń. Zawartość wapnia w suchej masie roślin wynosi średnio 0,1-0,4%. Większą zawartość wapnia stwierdza się w roślinach dwuliściennych niż jednoliściennych. Jest pobierany przez rośliny w formie Ca²⁺, przemieszcza się prawie wyłącznie w ksylemie. Nie ulega reutylizacji, dlatego objawy jego braku występują na najmłodszych częściach roślin oraz w owocach, na przykład pomido­rach, jabłkach. Odwrotnie niż w przypadku potasu nagromadzanie wapnia począt­kowo jest mniejsze od tempa nagromadzania suchej masy i wzrasta do końca wegetacji.

Wapń występuje w roślinie w formie mineralnej, w solach kwasów organi­cznych (fosforany, siarczany, węglany), w formie jonowej oraz trudno rozpuszczal­nych związkach organicznych (np. fityna). Wapń gromadzi się w roślinie głównie w apoplaście (ściany komórkowe, w pobliżu blaszki środkowej) oraz w wakuoli.

Podstawowe funkcje fizjologiczne wapnia to:

-stabilizowanie błon komórkowych, tworzenie w blaszce środkowej pektynia­nów wapnia, które stanowią barierę dla infekcji grzybowych i zwiększają sztywność ścian komórkowych;

-aktywacja niektórych enzymów, na przykład fosfolipazy, amylazy, ATP-azy, jest niezbędny przy podziale komórek stożka wzrostu, co opóźnia starzenie się organów wegetatywnych roślin;

-wtórne przekazywanie informacji, wapń w połączeniu z kalmoduliną i innymi białkami uczestniczy w przekazywaniu sygnałów ze środowiska do wnętrza komórek.

Objawy braku wapnia ujawniają się najpierw na młodych częściach roślin. Przy braku tego pierwiastka może występować: zamieranie wierzchołków pędów, Pączków kwiatowych, skręcanie młodych liści, sucha zgnilizna owoców pomidora i papryki, gorzka plamistość jabłek.

Oznaczanie potasu, magnezu i wapnia w roślinach i w nawozach organicznych

Oznaczanie zawartości tych pierwiastków w próbkach roślinnych i nawozach organicznych przeprowadza się w 3 etapach:

l) pobieranie próbek materiałów i ich przygotowanie do analiz,

2) mineralizacja materiału roślinnego i nawozów organicznych,

3) oznaczenie zawartości potasu w roztworze metodą emisyjnej atomowej (ESA) oraz magnezu i wapnia metodą absorpcyjnej atomowej (ASA).

Pierwsze dwa etapy - pobieranie próbek i przygotowanie ich do analiz oraz metody mineralizacji (spalanie na sucho, spalanie na mokro w układzie otwartym, spalanie na mokro w układzie zamkniętym). Można również skorzystać z metodyki podanej w Polskich Normach (PN-83, 84,88,91). Metody ESA i ASA lub w PN-ISO 6286.

Metoda emisyjnej spektrometrii atomowej (ESA) polega na wykorzystaniu zdolności wzbudzonych atomów lub jonów danego pierwiastka do emisji promie­niowania elektromagnetycznego o ściśle określonej długości fali. Jeżeli atom w stanie podstawowym (Ep) otrzyma wystarczająco dużą ilość energii, to nastąpi przeniesienie jednego z jego elektronów na wyższy poziom energetyczny i atom przejdzie w stan wzbudzony (Ew). Atom w tym stanie jest nietrwały i następuje powrót elektronu na niższy poziom energetyczny do stanu podstawowego. Towa­rzyszy temu emisja przyjętej energii w postaci kwantu promieniowania (hv) cha­rakterystycznego dla atomów danego pierwiastka:

Ep + energia Ew

emisja

Ew Ep + hv

Czas trwania pojedynczego atomu w stanie wzbudzonym jest bardzo krótki (ok. 10^-8 s), dlatego między procesem wzbudzania i stanem podstawowym ustala się dynamiczna równowaga o względnie stałym natężeniu emitowanego promienio­wania zależnym od liczby atomów, czyli stężenia analizowanego pierwiastka. Metoda absorpcyjnej spektrometrii atomowej (ASA) polega na wykorzystaniu zdolności atomów danego pierwiastka do pochłaniania promieniowania elektro­magnetycznego o ściśle określonej długości fali (hv). Atomy mogą absorbować selektywnie tylko takie promieniowanie, które mogą same emitować. Znajdujące się w badanym roztworze jony przeprowadza się najpierw do stanu atomowego. Następnie atomy poddaje się działaniu promieniowania o charakterystycznej linii analitycznej emitowanej ze źródła, jakim jest specjalna lampa katodowa. Natężenie emitowanej linii analitycznej ulega zmniejszeniu po przejściu przez ośrodek absorpcji (najczęściej płomień), zawierający atomy danego pierwiastka. Zmniejszenie to jest powodowane absorpcją przez atomy badanego pierwiastka części energii. Jest ono proporcjonalne do ich stężenia w badanym roztworze wprowadzo­nym do płomienia.

Oznaczanie ilości potasu, magnezu i wapnia w roślinie lub w nawozach organi­cznych.

Zmineralizowany materiał roślinny lub nawóz organiczny przenieść do kolby miarowej, na przykład o objętości 100 cm³, i dopełnić wodą destylowaną do kreski. W przy­padku oznaczania wapnia przed dopełnieniem należy dodać 10 cm³ roztworu 10% LaCl₃. Lantan jest czynnikiem przeciwdziałającym zakłóceniom występującym przy oznaczaniu wapnia w płomieniu acetylen/powietrze. Jeżeli wapń oznaczamy w płomieniu acetylen/tlenek dwuazotu (N₂O) lub metodą spektrometrii emisyjnej plazmowej (ICP), to nie stosujemy lantanu. Pomiary potasu wykonać metodą ESA, natomiast magnezu i wapnia metodą ASA.

Wykonanie pomiaru potasu metodą emisyjnej spektometrii atomowej (ESA). Przygotować aparat do pracy. ustawiając go na pomiar emisji oraz parametry zalecane przez producenta do oznaczania tego pierwiastka (długość fali, szerokość szczeliny itp.). Następnie podstawić najwyższy wzorzec i wykalibrować przyrząd zgodnie z instrukcją obsługi producenta. Po ustawieniu aparatu oznaczyć kolejne roztwory wzorcowe i wykonać pomiary. Z tych odczytów aparat wyposażony w komputer wykona wykres krzywej kalibracyjnej określającej zależność między pro­centową zawartością potasu w roślinie a odczytem na aparacie. Następnie podstawiając kolejne roztwory, oznaczyć w nich procentową zawartość potasu. Jeżeli aparat nie jest wyposażony w kompu­ter, z wykonanych odczytów sporządzić wykres krzywej kalibracji, umieszczając na osi odciętej procentową zawartość potasu, a na osi rzędnej odczyt z aparatu. Następnie po wykonaniu pomiarów z wykresu odczytujemy zawartość tego pierwiastka w badanych próbkach.

Wykonanie pomiaru magnezu i wapnia metodą absorpcyjnej spektro­metrii atomowej (ASA). Nastawić aparat zgodnie z instrukcją producenta na określoną długość fali, stosując odpowiednie warunki i system korekcji tła. Następnie zassać roztwór kalibracyjny 0 i wykalibrować przyrząd zgodnie z instrukcją obsługi producenta. Po ustawieniu aparatu oznaczyć kolejne roztwory wzorcowe i wykonać pomiary najpierw dla magnezu, a następnie dla wapnia. Z tych odczytów aparat wyposażony w komputer wykona wykres krzywej kalibracyjnej, określającej zależność między procentową zawartością magnezu i wapnia w roślinie a odczytem na aparacie. Podstawiając kolejne roztwory, oznaczyć w nich zawartość procentową magnezu, a następnie wapnia. Jeżeli aparat nie ma przystawki komputerowej, postępować jak w przypadku oznaczania potasu.

---