Abstrakt
Atomová absorpční
spektrometrie je optická analytická metoda pro kvantitativní stanovení více než
60 prvků. Vychází ze zákona Kirchhofa a Bunsena (1860), podle něhož jsou volné
atomy v plynném stavu schopny absorbovat záření takové vlnové délky,
kterou samy emitují. Zdrojem záření je obvykle výbojka poskytující emisní
atomové spektrum daného kovu s intenzivními rezonančními čarami
chrakteristickými pro stanovovaný prvek (kov). Prochází-li záření výbojky
optickým prostředím (plamenem, atomizátorem) obsahujícím volné atomy, můžeme na
výstupu z plamene pozorovat úbytek intenzity záření způsobený absorpcí.
Optickým prostředím neabsorbované záření prochází monochromátorem na
fotonásobič, signál se registruje jako absorbance, naměření hodnota je úměrná
koncentraci stanovovaného prvku (platí Lambert-Beerův zákon). Aplikace atomové
absorpční spektrometrie se liší podle způsobu atomizace, rutinně je často
využívána plamenová atomová absorpční spektrometrie (FAAS). Kapalný vzorek je
nasáván přes zmlžovač a zmlžovací komoru do plamene, kde dochází
k vypaření aerosolu vzorku. Princip atomové absorpční spektrometrie
s elektrotermickou atomizací (ETA-AAS) je stejný jako u FAAS, ale plamen
je nahrazen elektricky vyhřívanou píckou, v níž je umístěn atomizátor
(grafit, modifikované karbidy, některé kovy). U atomové absorpční spektrometrie
s indukčně vázaným plazmatem (ICP-AAS) dovoluje vysoká teplota plazmového
výboje oproti FAAS vypaření, atomizaci a excitaci špatně excitovatelných prvků.
Související informace
Optické techniky
Atomová absorpční spektrometrie
Princip měření
Atomová absorpční spektrometrie
(AAS) je optická analytická metoda pro kvantitativní stanovení více než 60
prvků. Vychází ze zákona Kirchhofa a Bunsena (1860), podle něhož jsou volné
atomy v plynném stavu schopny absorbovat záření takové vlnové délky,
kterou samy emitují.
·
zdrojem
obvykle výbojka s dutou katodou, která je zhotovená ze stejného kovu, jako
je analyzovaný
·
z výbojky
vychází čárové atomové spektrum daného kovu
·
pro
každý prvek jiná výbojka
·
záření
zdroje prochází absorpčním plynovým prostředím
·
plamen,
do něhož je rozprašován roztok analyzovaného vzorku
·
v plameni
vzorek tepelně rozkládán, vznik volných atomů v neexcitovaném stavu
·
takové
atomy jsou schopny absorbovat záření o vlnové délce l:
h x c l =
----------- E2
– E1 |
kde
E2 – energie excitovaného stavu atomu,
E1 – energie základního stavu,
h – Plancova konstanta,
c – rychlost světla
Tomuto vztahu vyhovují rezonanční čáry (a,b) vysílané
výbojkami s dutou katodou (1). Po průchodu plamenem (2) do monochromátoru
(3) vstupuje z výstupní štěrbiny spektrum I (rezonanční čáry a,b jsou
zeslabeny absorpcí). Monochromátorem je izolována vhodná rezonanční čára (a),
při které se sleduje absorpce.
|
Aplikace Lambert-Beerova zákona v
AAS
Al = kl . N0 . l
kde
k – monochromatický atomový absorpční
koeficient, N0 – počet volných atomů
v objemové jednotce plynu daného absorpčního prostředí, l
– délka absorpčního prostředí
Zjednodušující předpoklady platnosti
Lambert-Beerova zákona
N0 = N
Počet volných
atomů N0 je roven
počtu atomů N, které vznikly atomizací roztoku.
Koncentrace atomů N je úměrná koncentraci c kovu v roztoku.
N = p . c
p – koeficient účinnosti atomizace
Omezení platnosti Lambert-Beerova
zákona v AAS
1.
optické
příčiny
2.
transportní
příčiny
1. Optické příčiny
·
nedostatečná
monochromatičnost použitého záření (monochromátorem proniká i záření
nerezonančních čar)
·
vzniká
difúzně rozptýlené záření (hlavně na kapkách aerosolu v plameni)
2. Transportní příčiny
vztah mezi N
a c není lineární – příčiny
·
ionizace
atomů v palmeni
·
koncentračně
závislá disociace kovové sloučeniny na atomech
·
podmínky
při vzniku a přísunu aerosolu do plamene
Faktorů ovlivňujících platnost Lambert-Beerova zákona a
hodnotu absorbance je mnohem víc. Pro analytické účely je nevyhnutné pracovat porovnávacími
metodami.
Přístrojové uspořádání v AAS
Podle uspořádání optické dráhy jsou
přístroje děleny na jednopaprskové (obr.) a dvoupaprskové
|
Základní části přístroje: 1.
výbojka 2.
přerušovač 3.
plamen 4.
štěrbinový
hořák 5.
přívod
stlačeného vzduchu 6.
vzorek 7.
přívod
výhřevného plynu 8.
monochromátor 9.
fotonásobič
se zesilovačem 10.
indikační
zařízení |
U dvoupaprskového přístroje je svazek paprsků zdroje
rozdělen rotujícím zrcadlem na dva rovnoběžné svazky - měrný (prochází plamenem)
a porovnávací. Svazky dopadají střídavě na štěrbinu monochromátoru.
Zdroje čárového záření
1.
Výbojky
s dutou katodou
2.
Spektrální
lampy
3.
Bezelektrodové
výbojky
Výbojky s dutou katodou
Katodou je obvykle dutý válec z kovu, který má být
stanovován, anodou je drátek z wolframu (niklu). Výboj nastává po vložení
jednosměrného napětí 300 – 400 V. Křemenným okénkem proti katodě vystupuje
z výbojky emisní atomové spektrum daného kovu s intenzivními
rezonančními čarami.
Spektrální lampy
Jsou vhodné jen pro lehko excitovatelné prvky (Na, K, Rb,
Cs). Obvykle jsou to baňky se zatavenými W elektrodami obsahující malé množství
daného prvku, napájeny jsou střídavým napětím 220 V. Spektrální lampy
nevyzařují úzké čáry jako výbojky s dutou katodou, poskytují však vysokou
intenzitu záření.
Bezelektrodové výbojky
Bezelektrodové výbojky jsou křemenné baňky naplněné vzácným
plynem, uvnitř je zatavená elektroda s miligramovým množstvím příslušného
kovu (halogenidu). Buzení je zprostředkováno generátorem v radiofrekvenčním
nebo mikrovlnném poli. Záření výbojky je závislé na teplotě výbojky, tedy na
tenzi par. Výhodou těchto výbojek je jejich vysoká intenzita a dlouhá
životnost.
Záření
zdrojů je třeba modulovat (přerušovat) v určité frekvenci
·
mechanicky
rotujícím segmentem
·
elektricky
pulzním režimem zdroje jednosměrného napětí
Absorpční
prostředí v AAS
Prostředí tvoří prostorově vymezený plyn obsahující
dvojatomové částice plynů (oxidovadlo + výhřevný plyn) a volné atomy
sledovaných prvků. Volné atomy vznikají atomizací vzorku při teplotě 2000 –
3000°C.
Metody atomizace:
·
metody
plamenové atomizace
·
metody
bezplamenové atomizace
Plamenová technika atomizace (FAAS)
-
přizpůsoben hořák
·
štěrbinové
ústí hořáku o délce 50 – 100 mm
·
jednoštěrbinové
(víceštěrbinové) – Ti
- před
hořákem zmlžovací komora
- nejvíc se
používá acetylen – vzduch (plamen opticky propustný pro vlnové délky nad 230
nm)
- výška plamene důležitá (většinou
prochází monochromatický paprsek těsně nad modrým kuželem reakční zóny plamene)
možné
nedostatky techniky:
·
nízká
účinnost rozprašování
·
vzorek
se příliš ředí spálenými plyny plamene
·
látky,
jejichž tenze par je při teplotě plamene nízká, se nestačí během přechodu
aerosolu přes plamen odpařit
Bezplamenová technika atomizace (ETA-AAS)
·
elektrotermické
atomizéry založené na odpařování vzorku pomocí elektricky vyhřívané podložky
·
grafitová
kyveta (trubička) umístěna v optické dráze přístroje
·
na
studenou podložku se nanese známé množství vzorku v roztoku
·
v proudu
inertu se zahřívá elektrickým proudem
·
odečítaný
signál je jednorázový, přechodný signál absorbance (vyšší citlivost než plamen)
Autorské poznámky
Jaroslava Vávrová
.