Absorpcyjna spektrometria atomowa, AAS, z angielskiego Atomic Absorption Spectrometry, instrumentalna metoda analityczna, wykorzystująca zjawisko absorpcji promieniowania charakterystycznego (tzn. o odpowiedniej długości fali) przez wolne atomy oznaczanego pierwiastka. Wielkość absorpcji jest miarą stężenia pierwiastka w badanej próbce. Źródłem promieniowania jest lampa z katodą wnękową (HCL) lub bezelektrodowa lampa wyładowcza (EDL). Wolne atomy otrzymuje się z roztworów (niekiedy z zawiesin lub ciał stałych) przez ich odparowanie i dysocjację w przestrzeni absorpcyjnej spektrometru, przez którą przechodzi promieniowanie. Przestrzeń absorpcyjna może być płomieniem (najczęściej spalany jest acetylen w powietrzu) lub kuwetą (grafitową albo kwarcową). Po przejściu przez monochromator natężenie promieniowania rejestrowane jest za pomocą fotopowielacza. Absorpcyjna spektrometria atomowa z użyciem kuwety należy do najczulszych metod chemicznej analizy ilościowej.

Atomową spektrometrię absorpcyjną (AAS) wykorzystuje się w laboratoriach od około 40 lat. Za pomocą tej metody można oznaczyć ilościowo ponad 50 metali i niemetali nawet w zakresie zanieczyszczeń śladowych. Istotnymi zaletami AAS są wysoka selektywność i czułość detekcji. Z tego powodu, metoda ta w krótkim czasie zaczęła odgrywać istotną rolę w dziedzinie analiz naukowych. AAS ma wielorakie zastosowania w różnych dziedzinach przemysłu. Badaniom poddaje się wiele surowców, a technika AAS jest szeroko stosowana do sprawdzania obecności podstawowych pierwiastków oraz czy ilości toksycznych zanieczyszczeń są mniejsze niż określono w specyfikacjach. W przemyśle górniczym, techniką AAS można oznaczać zawartość metali, np. złota w skale, aby określić opłacalność wydobywania tej skały w celu pozyskiwania z niej złota. W rolnictwie analizuje się ewentualne zanieczyszczenia metalami paszy dla zwierząt. AAS jest także istotną techniką w analizach klinicznych i środowiskowych.

Analiza techniką płomieniową AAS

W technice AAS wykorzystuje się specyficzną absorpcję światła o określonej długości fali przez atomy danego pierwiastka. Atomy różnych pierwiastków absorbują charakterystyczne dla nich długości fal światła. Zawarte w próbce, mającej postać wodnego roztworu pierwiastki, będące metalami lub niemetalami, zostają odparowane w płomieniu i ulegają atomizacji termicznej. Płomień powstaje na skutek reakcji paliwa z gazem utleniającym. Promieniowanie ciągłe, emitowane przez specyficzne dla danego pierwiastka źródło światła (lampa z katodą wnękową) przechodzi przez celkę atomizera, zaś w monochromatorze z widma liniowego tego pierwiastka wyizolowuje się określoną długość fali. Różnica intensywności wiązki promieniowania próbki i wiązki odniesienia wytwarza sygnał, który jest wprost proporcjonalny do łącznej liczby wolnych atomów tego pierwiastka występujących w analizowanej próbce. Krzywą kalibracyjną uzyskuje się poddając badaniu próbki o znanych stężeniach w tych samych warunkach, w jakich badana jest próbka o nieznanej zawartości. Granica wykrywalności uzyskiwana metodą płomieniową osiąga poziom pojedynczych mg/kg (ppm).

Gazy palne i utleniające

Zależnie od badanego pierwiastka stosuje się różne rodzaje płomieni, tzn. płomienie o różnej temperaturze. Najczęściej stosowanym rodzajem płomienia, wykorzystywanym w płomieniowej AAS jest płomień acetylenowo-powietrzny (2200-2400°C). W przypadku pierwiastków tworzących trudnotopliwe tlenki, takich jak Al, Si, V, Ti, korzystniejsze chemiczne, termiczne i optyczne środowisko uzyskuje się za pomocą płomienia powstałego w wyniku spalania acetylenu w podtlenku azotu (2600-2800°C). Płomień wodorowo-powietrzny (2000-2050°C) zapewnia określone korzyści w przypadku analizowania łatwo ulegających atomizacji metali alkalicznych, takich jak Cs, Rb, K, Na, jednakże w przypadku tego typu płomienia częstokroć obserwuje się efekt matrycy.

Źródła promieniowania

Źródła promieniowania stosowane w metodzie AAS muszą się charakteryzować dużą

monochromatycznością promieniowania o częstotliwości zgodnej z częstotliwością rezonansową oznaczanego pierwiastka. Promieniowanie emitowane przez źródło powinno odznaczać się dużym natężeniem i stabilnością. W praktyce, w metodzie AAS stosuje się lampy z katodą wnękową lub wzbudzane wysoką częstotliwością (bądź mikrofalami) lampy bezelektrodowe.

Lampy z katodą wnękową (Hollow Cathode Lamp - HCL) (Rys. 6) są rurkami szklanymi z

okienkami kwarcowymi. Wewnątrz zamkniętej rurki znajduje się gaz szlachetny (Ne lub Ar) pod niskim ciśnieniem (2-8 hPa). Lampy te zawierają dwie elektrody. Anodą jest drut wolframowy, katodę stanowi wydrążony cylinder wykonany z metalu, który ma być oznaczany i którego linię rezonansową lampa ma emitować. Oś cylindra katody odpowiada osi optycznej przyrządu. Gdy między anodę i katodę zostanie przyłożone dostatecznie duże napięcie (rzędu kilkuset wolt), gaz wypełniający lampę zostanie zjonizowany. Dodatnie jony gazu, bombardując katodę wybijają, z niej atomy metalu. Atomy metalu w stanie gazowym ulegają wzbudzeniu i emitują promieniowanie, które składa się z linii charakterystycznych dla atomów metalu, jonów metalu i gazu szlachetnego. Natężenie promieniowania można zmieniać regulując natężenie prądu płynącego w lampie. Odpowiednią linię można wyodrębnić z niezbyt skomplikowanego widma za pomocą prostych monochromatorów. Lampą z katodą wnękową można oznaczać tylko jeden pierwiastek, ten z którego została wykonana katoda. Produkuje się też lampy kilkupierwiastkowe, ale nie znajdują one

szerszego zastosowania, głównie z powodu małego natężenia wycinanej wiązki promieniowania.

Lampy bezelektrodowe (Electrodeless Discharge Lamp - EDL) ze wzbudzeniem wysoką

częstotliwością są to wąskie, zamknięte rurki kwarcowe zawierające wewnątrz warstwę metalu, który ma być oznaczony lub/i warstwę soli tego pierwiastka (1 - 2 mg). Rurka wypełniona jest gazem szlachetnym (Ar, Ne) pod zmniejszonym ciśnieniem (0,2 - 0,8 hPa). Atomizację i wzbudzenie uzyskuje się przez działanie pola elektromagnetycznego o wysokiej częstotliwości. Lampy bezelektrodowe charakteryzują się dobrymi parametrami (natężenie linii i szerokość połówkowa) i są bardzo trwałe. Produkuje się je głównie dla pierwiastków, dla których nie można zbudować lamp HCL - Sb, As, Se, Te, P, Hg, Bi, Cs, Ge, K, Rb, Tl.

Atomizery

Zadaniem atomizerów jest otrzymywanie z dużą, powtarzalną wydajnością wolnych atomów

z próbek analitycznych. Im większa wydajność wolnych atomów w stanie podstawowym,

odniesiona do badanej próbki, tym większa czułość metody analitycznej. W procesie atomizacji musi występować prosta proporcjonalność między stężeniem oznaczanej substancji w próbce a stężeniem atomów w plazmie absorpcyjnej. Wytworzone atomy powinny w jak najmniejszym stopniu ulegać wzbudzeniu i jonizacji.

Atomizacja próbki wymaga doprowadzenia energii, co realizowane jest różnymi metodami.

Najczęściej stosuje się:

 atomizację płomieniową (F - AAS),

 atomizację bezpłomieniową (ET - AAS) obejmującą takie techniki jak: elektryczne

ogrzewanie oporowe rurki grafitowej (piec Massmanna), atomizacja w łuku prądu zmiennego (kuwety grafitowe Lwowa), bombardowanie powierzchni metalicznej elektronami, odparowywanie laserowe,

 atomizery wykorzystujące zimne pary rtęci (CV - AAS),

 atomizery wodorkowe (HG - AAS).

Atomizer płomieniowy. Atomizacja płomieniowa wymaga przeprowadzenia ciekłej próbki

analitycznej w aerozol. Aerozol uzyskuje się najczęściej w nebulizerze pneumatycznym.

W komorze nebulizera analizowany roztwór przeprowadza się w delikatną mgłę (aerozol),

następnie miesza aerozol z gazem palnym i wprowadza jednorodnie do palnika z zastosowaniem powierzchni rozpryskowych lub sit dla odrzucenia lub rozbicia większych kropel. Gazem zasysającym próbkę jest zawsze gaz utleniający. Mieszanina rozpuszczalnika, próbki, gazów utleniającego i palnego wprowadzana jest do palnika szczelinowego o długości 5 - 10 cm i szerokości 0,5 - 1,5 mm. Płomienie palnika muszą dostarczać energii wystarczającej do przeprowadzenia roztworu w wolne atomy. Sam płomień powinien absorbować tylko niewielką część promieniowania emitowanego przez źródło. Stosowane w metodzie AAS mieszaniny gazów to gaz miejski-powietrze (T = 1980 K), propan-butan powietrze (T = 2200 K), acetylen-powietrze (T = 2600 K), acetylen-tlen (T = 3300 K), acetylen-tlenek azotu (I) (T 3220 K), wodór-powietrze (T= 2275 K) oraz wodór-tlen (T =

2825 K). Najczęściej stosuje się płomień acetylen-powietrze. Ma on wysoką temperaturę i dopiero poniżej 230 nm występuje wzrastająca absorpcja własna płomienia. Płomień acetylen-powietrze jest zalecany do oznaczania następujących pierwiastków: Mg, Ca, Sr, Cr, Mb, Mn, Tc, Fe, Ru, Os, Co, Rh, Ni, Pd, Pt, Cu, Ag, Au, Zn, Hg, Ga, In, Tl, Pb, Sb, Bi. Dla pierwiastków, które tworzą w płomieniu trwałe tlenki (np. Ba, Al., B, Be, Si) konieczne jest stosowanie płomienia redukującego z użyciem gazu utleniającego tlenku azotu (I). Analizowana próbka może być roztworem prostej soli MA (M+ i A-) lub roztworem

zawierającym inne składniki. Po wprowadzeniu prostej soli do płomienia zachodzą w niej

następujące przemiany fizykochemiczne i reakcje chemiczne:

 Odparowanie rozpuszczalnika

M+ + A- (mgła)  MA (ciało stałe)

 Stopienie soli i przeprowadzenie jej w stan pary

MA (ciało stałe) MA (ciecz)  MA (gaz)

 Reakcja dysocjacji termicznej

MA (gaz)  M(gaz) + A(gaz)

Równowaga tej reakcji uzależniona jest od temperatury płomienia. Ilość wolnych atomów

rośnie wykładniczo ze wzrostem temperatury.

Inne reakcje, takie jak jonizacja, wzbudzenie i synteza są procesami niekorzystnymi,

ponieważ zmniejszają ilość wolnych atomów w stanie podstawowym a zatem i czułość metody.

 Reakcja jonizacji MM+ + e

 Rekcje syntezy M + OMO

M + H2OMO + H2

M + OHMOH

MO + CO2MCO3

 Reakcje wzbudzenia M ↔ M*

MA (MA)*

MO ↔ (MO)*

MOH ↔ (MOH)*

MCO3 ↔ (MCO3)*

Możliwości zastosowań AAS

 Metodą AAS można oznaczać około 70 pierwiastków. Problematyczne jest oznaczanie niemetali.

 AAS jest typową metodą oznaczania pojedynczego pierwiastka. Zastosowanie

spektrometrów wielokanałowych nie dało istotnego postępu w eliminacji tego ograniczenia.

 AAS jest metodą oznaczania pierwiastków śladowych i składników ubocznych (bardzo

rzadko stosuje się ją do oznaczania składników głównych).

 Określany zakres stężeń odpowiada w przybliżeniu jednemu rzędowi wielkości. W przypadku możliwości pomiaru bardzo małych absorbancji zakres ten może objąć 2 - 3 rzędy wielkości.

 AAS jest metodą względną. Do wyznaczenia stężenia wykorzystuje się krzywe wzorcowe

(wyniki dokładniejsze) lub metodę dodatków (metoda szybsza, ale mniej dokładna).

 Metoda AAS jest podatna na wszelkiego rodzaju zakłócenia - stąd konieczność obsługi

przez personel o wysokich kwalifikacjach.

 AAS jest techniką stosowaną w rutynowych oznaczeniach w laboratoriach metalurgicznych,

rolniczych, medycznych, biologicznych, geologicznych, ochrony środowiska i wszędzie tam,

gdzie zachodzi konieczność oznaczeń śladowych ilości pierwiastków.

Prawo Lamberta-Beera:

Dla równoległej ściśle monochromatycznej wiązki promieniowania elektromagnetycznego, w przypadku nieabsorbującego rozpuszczalnika, kiedy brak jest jakichkolwiek oddziaływań między cząsteczkami substancji absorbujacej czy też między cząsteczkami tej substancji i rozpuszczalnika: absorbancja A jest proporcjonalna do stężenia roztworu c i grubości warstwy absorbującej b

A = log
= abc = εbc_m

Prawo addytywności absorbancji dotyczy roztworów i mieszanin wieloskładnikowych. Wyraża ono absorbancje całkowitą środowiska, A, jako sumę niezależnych absorbancji poszczególnych składników (A1, A2, .....An): A = A₁ + A₂ + …+ A_n

Absorpcyjna Spektrometria Atomowa (Atomic Absorpion Spectrometry - AAS) jest jedną z najczęściej stosowanych w analizie śladowej metod instrumentalnych chemii analitycznej.

Spektrometria - bo wykorzystywane jest oddziaływanie promieniowania elektromagnetycznego z zakresu bliskiego nadfioletu i światła widzialnego (190 - 700 nm) z materią; materią tą są atomy (nie cząsteczki i nie jony) - stąd Atomowa; a ze względu na to, że sygnałem analitycznym jest osłabienie mierzonego natężenia promieniowania na skutek absorpcji - Absorpcyjna.

Pierwszy komercyjny przyrząd do ASA opracowano i wykonano w amerykańskiej firmie Perkin-Elmer w 1961 roku.

Warunkiem zajścia absorpcji jest, aby różnica energii pomiędzy stanem podstawowym a wzbudzonym była równa energii padającego kwantu promieniowania:

E1 - E0 = hၮ

Oczywiście, stan wzbudzony atomu jest niekorzystny energetycznie i po czasie około 10-8 s atom powróci do stanu podstawowego emitując energię w postaci kwantu promieniowania o tej samej energii co kwant zaabsorbowany.

Źródło promieniowania, lampy emitujące wąskie linie atomowe oznaczanego pierwiastka, lampy z katoda wnękową jedno i wielopierwiastkowe (ang. Hollow Cathode Lamp - HCL) oraz bezelektrodowe lampy wyładowcze z generatorem częstości radiowej (ang. Elctrodeless Discharge Lamp - EDL).

Modulator, -w najprostszej wersji, to mechaniczne urządzenie (wiatraczek), które cyklicznie przesłania na ułamek sekundy promieniowanie pochodzące z lampy. Pozwala to przyrządowi zmierzyć emisję własną atomizera (płomień, rozgrzana rurka grafitowa) pozwala wyeliminować promieniowanie emitowane przez atomizer.

Ze względu na sposób atomizacji, wyróżnia się trzy podstawowe techniki w metodzie ASA:

• technikę płomieniową;

• technikę elektrotermiczną;

• technikę wodorkową i zimnych par.

Atomizer - wytworzenie odpowiedniej ilości atomów w stanie podstawowym poprzez dostarczenie im energii termicznej.

• Atomizer płomieniowy (FAAS) - to tytanowy palnik zasilany najczęściej acetylenem jako paliwem i powietrzem lub podtlenkiem azotu jako utleniaczem (temperatury spalania odpowiednio 2100-2400 lub 2600-2800 0C).

Przepływ gazu powoduje zassanie do komory mieszania roztworu próbki i wytworzenie aerozolu gaz - ciecz.

W skład atomizera płomieniowego wchodzą: rozpylacz, komora mieszania, głowica palnika

• Atomizer elektrotermiczny (ETAAS) - opracowany pod koniec lat 60-tych (Perkin-Elmer). Podstawowa różnica w stosunku do atomizera (FAAS) to sposób dostarczenia energii potrzebnej do atomizacji próbki. Elementem, na który dozowana jest próbka jest rurka grafitowa ogrzewana oporowo, działająca według określonego programu czasowego i temperaturowego.

Atomizery par zimnych (CV AAS) i wodorkowy (HG AAS)

Technika ta pozwala na oznaczenie ilościowe rtęci (technika par zimnych) oraz szeregu pierwiastków tworzących lotne w temperaturze pokojowej wodorki - As, Bi, Ge, Pb, Sb, Se, Sn, Te (technika wodorkowa).

Analiza z wykorzystaniem tego typu atomizerów jest realizowana w trzech etapach:

• chemiczna reakcja generowania wodorków

• transport gazowych wodorków do układu spektrofotometrcznego

• atomizacja wodorków.

Reakcje chemiczne prowadzone są w reaktorze będącym częścią zestawu do atomizacji tą techniką. Najczęściej stosowaną metodą jest redukcja borowodorkiem sodowym (NaBH4 ) w środowisku kwaśnym.

Wytworzone lotne wodorki są następnie transportowane do rurki kwarcowej umieszczonej w spektrofotometrze. Rurka jest ogrzewana do temperatury, w której następuje rozkład wodorków na atomy (atomizacja).

Monochromator - służy do wyodrębnienia wybranego pasma o odpowiedniej długości fali z wiązki promieniowania emitowanego przez lampę i atomizer

Detektor, - urządzenie (zwykle fotopowielacz) służące do zamiany energii elektromagnetycznej (promieniowania) na energię elektryczną (prąd) proporcjonalną do intensywności promieniowania

Inne jak: - soczewki, zwierciadła, układy elektroniczne, zliczające, uśredniające i rejestrujące

Interferencje fizyczne - wynikają z własności fizycznych próbki tj. jej lepkości, gęstości czy napięcia powierzchniowego. Istota leży w konieczności wzorcowania, jeśli roztwory wzorcowe mają inne własności fizyczne niż badana próbka, to odmiennie i z różną wydajnością przebiega proces rozpylania. Interferencje te mają znaczenie jedynie w technice płomieniowej. W technice elektrotermicznej, procesy prowadzące do atomizacji próbki są rozdzielone w czasie. Odparowanie rozpuszczalnika nie wpływa więc bezpośrednio na proces atomizacji.

Interferencje chemiczne dzieli się na:

• interferencje chemiczne w fazie gazowej,

• interferencje w fazie stałej.

Interferencje chemiczne w fazie gazowej to jonizacja oznaczanego pierwiastka. Widmo absorpcyjne jonu jest inne niż widmo absorpcyjne atomu.

Interferencje chemiczne w fazie stałej to wszystkie te reakcje, które obniżają stężenie atomów oznaczanego pierwiastka w obszarze absorpcji poprzez tworzenie trudno-dysocjujących połączeń.

Najczęściej są to tlenki i wodorotlenki, a także fosforany, siarczany i krzemiany analitu.

Skutek jest taki jak w przypadku interferencji chemicznych w fazie gazowej, - metoda ASA nie „widzi” oznaczanego pierwiastka, jeśli jest on w postaci jonu lub cząsteczek związku chemicznego.

Interferencje spektralne - mają one miejsce, gdy nakładają się linie absorpcyjne pierwiastka oznaczanego z innym obecnym w próbce. Dlatego przyrządy wyposażone są w wysokiej klasy monochromatory i lampy emitujące promieniowanie charakterystyczne z dużą intensywnością.

Inne przyczyny znacznie częściej spotykane to:

• rozpraszanie promieniowania na małych cząstkach spowodowane obecnością w obszarze absorpcji cząsteczek przesyconej cieczy lub cząsteczek aerozolu gaz - ciało stałe.

• absorpcja molekularna, w płomieniu mogą się pojawić związki, których widma absorpcyjne leżą w zakresie długości fal absorbowanych przez oznaczany pierwiastek.

Przykład: chlorek sodu NaCl, który silnie absorbuje promieniowanie w zakresie bliskiego nadfioletu. Oznaczając ołów (282 nm) w roztworze zawierającym NaCl należy się spodziewać, że uzyskamy sygnał będzie podwyższony o absorbancję cząsteczek NaCl.

Podstawowe ograniczenia metody ASA to:

• Konieczność wymiany lampy przy zmianie oznaczanego pierwiastka

• Konieczność stosowania roztworów

• Stężenie całkowite soli w technice płomieniowej nie może przekraczać 2%

• Występowanie interferencji

Zalety metody ASA to z kolei:

• Uniwersalność

• Selektywność

• Dokładność i precyzja

• Łatwość automatyzacji

• Dobrze zdefiniowane interferencje i sposoby ich eliminacji.

Miedź

Należy do pierwiastków niezbędnych do prawidłowego rozwoju człowieka. Spełnia ona ważną rolę w syntezie hemoglobiny oraz wchodzi w skład niektórych enzymów. Zwiększone ilości miedzi mogą jednak wpływać niekorzystnie na organizm, powodując m.in. uszkodzenia cewek nerkowych, co jest przyczyną białkomoczu, cukromoczu, a także mocznicy; uszkodzenia wątroby czy mięśnia sercowego. Wskutek katalizującego wpływu na utlenianie nienasyconych kwasów tłuszczowych - niezbędnych człowiekowi - przypisuje się miedzi rolę czynnika wywołującego miażdżycę. Nadmiar miedzi blokuje aktywność wielu enzymów niezbędnych do życia. Uważa się również, że może wywołać anemię wskutek blokowania syntezy hemu, a także wykazuje działanie drażniące na błony śluzowe przewodu pokarmowego i błony układu oddechowego. Miedź i jej związki trafiają do wód wraz ze ściekami przemysłowymi, pochodzącymi z kopalni rudy miedzi, z zakładów wzbogacania rudy, galwanizerni, przemysłu barwników, włókien sztucznych oraz zakładów produkujących pestycydy - tzw. fungicydy miedziowe. Wykazano również, że środowisko skażone metalami ciężkimi, m.in. miedzią, oddziałuje negatywnie na rozwój psychiczny człowieka. Długotrwałe narażenie na niewielkie nawet dawki metali może doprowadzić do niebezpiecznych - zwłaszcza u dzieci - następstw w zakresie funkcjonowania ośrodkowego układu nerwowego, takich jak: zahamowanie rozwoju, stany lękowe, pobudzenie ruchowe, zaburzenia wzroku.

---