ASSORBIMENTO ATOMICO La spettrofotometria di assorbimento atomico AAS

ASSORBIMENTO ATOMICO

• La spettrofotometria di assorbimento atomico (AAS) è basata sull’esame dell’assorbimento di una radiazione elettromagnetica dopo che questa passa in un mezzo in cui il campione sia presente come atomi o ioni monoatomici. • Nella spettrofotometria AAS, l'intervallo utile di lunghezze d'onda dipende dalla sorgente della radiazione, dai componenti del cammino ottico e dal rivelatore. In pratica il campo spettrale va da 852, 1 nm, la lunghezza d'onda più sensibile per il cesio, a 193, 7 nm, la lunghezza d'onda più usata per l'arsenico: lo spettrometro per AAS opera perciò nel campo spettrale degli spettrofotometri UV-vis.

• Il numero di elementi rilevabili è limitato dall’assorbimento dell’ossigeno dall’assorbimento dei gas caldi • In pratica sono determinabili in fiamma i metalli con il fornetto di grafite anche S, I, P

• Quando un atomo viene posto nelle condizioni di acquistare energia elettromagnetica di intensità adeguata, uno o più elettroni esterni posso infatti abbandonare gli orbitali in cui abitualmente si trovano, per venire promossi ad orbitali più ricchi di energia. • Di conseguenza l’atomo, che si trovava nella sua configurazione elettronica normale (o stato energetico fondamentale) raggiunge un livello energetico più ricco di energia e quindi meno stabile (stato eccitato). • Da questo stato eccitato l’atomo decade rapidamente, tornando allo stato fondamentale e restituendo all’ambiente l’energia appena acquistata.

• Le righe che si osservano, inoltre, non sono veramente monocromatiche ma hanno un un’ampiezza di circa 2⋅10 -3 nm , e l’allargamento della riga spettrale deriva dalla somma di tre contributi: • ALLARGAMENTO DI LORENZ: gli atomi si urtano continuamente e le collisioni fanno variare, anche se di poco, i livelli energetici degli atomi stessi (di conseguenza l’assorbimento delle radiazioni avviene a frequenze non rigorosamente esatte, ma entro una ristrettissima gamma di queste).

• ALLARGAMENTO DOPPLER: gli atomi assorbono stando in movimento. In base all’effetto Doppler, se la sorgente della radiazione è in movimento rispetto all'osservatore, allora le righe dello spettro si spostano in funzione della velocità relativa. Ne consegue, una variazione nella frequenza della radiazione assorbita.

Quando sorgente e atomo sono fermi solo l’ onda segnata viene assorbita (200 nm) 220 nm Sorgente 200 nm 180 nm Quando sorgente e atomo si avvicinano l’atomo “vede” tutte le onde “compresse”. Assorbirà solo quella che a esso apparirà ancora da 200 nm ma emessa a 220 nm che è stata emessa come 220 nm ma percepita come 200 nm Sorgente emessa a 200 nm ma percepita come 180 nm emessa a 180 nm ma percepita come 160 nm

Quando sorgente e atomo si allontanano l’atomo “vede” tutte le onde “stirate”. Assorbirà solo quella che a esso apparirà ancora da 200 nm ma che è stata emessa come 180 nm emessa a 220 nm ma percepita come 240 nm Sorgente emessa a 200 nm ma percepita come 220 nm emessa a 180 nm ma percepita come 200 nm • Gli atomi hanno velocità diverse, vedranno i fotoni spostati verso il rosso o verso il blu, assorbendo fotoni che hanno la corretta energia per la transizione ma in possesso di energie diverse nel sistema di riferimento della sorgente. • Più è alta la temperatura alla quale è sottoposto l’atomo, più è grande la differenza di velocità, e più larga sarà la linea.

• ALLARGAMENTO NATURALE: secondo il principio di indeterminazione di Heisenberg (il principio sostiene che non è possibile conoscere simultaneamente la posizione e la velocità di un dato oggetto con precisione arbitraria; inoltre quantifica esattamente l'imprecisione) esiste una precisa relazione tra il tempo che un atomo trascorre in un determinato stato quantico e l’energia di tale stato. • L’energia non ha un valore ben definito, ma si colloca in un intervallo di possibili valori: ΔE⋅Δt ≥ h /2 p ΔE → 0 per Δt → ∞ ------ stato fondamentale ΔE → ∞ per Δt → 0 ------ stato eccitato • E’ comunque molto minore rispetto agli allargamenti dovuti alle altre due cause

• Per determinare la quantità di un elemento si può atomizzare il campione in cui è contenuto, eccitare i suoi atomi con radiazioni di opportuna lunghezza d’onda e misurare l’entità della radiazione assorbita • Alle normali temperature di esercizio la maggior parte degli atomi si trova nello stato fondamentale e una parte, sia pur minima, può trovarsi uno stato termicamente eccitato; questi atomi, perciò, non partecipano al processo di assorbimento che si intende misurare. • In queste condizioni l’assorbimento atomico sia pure in un intervallo di linearità abbastanza ristretto segue una legge analoga alla legge di Beer, descritta per l’assorbimento molecolare. Per un generico elemento eccitato da una radiazione monocromatica i cui atomi siano dispersi in fase gassosa abbiamo che: dove: A= x⋅b ⋅N – x è il coefficiente spettrale di assorbimento atomico – b lo spessore dello strato assorbente ( il cammino ottico) – N il numero totale di atomi liberi

• Nello spettrofotometro per AA monoraggio il raggio emesso dalla sorgente attraversa il sistema di atomizzazione, che contiene il campione allo stato di gas atomico, arriva al monocromatore, poi la radiazione monocromatica passa al rivelatore. • La luce dalla sorgente viene modulata (pulsata) mediante un chopper, in modo da distinguere la luce emessa dalla lampada dalla luce emessa dall’atomo eccitato.

• Nello strumento a doppio raggio le differenze sono limitate alla presenza ed alla funzione del raggio di riferimento. Il raggio di riferimento non passa attraverso la zona di atomizzazione. Il suo compito, infatti, non è quello di passare attraverso il bianco quanto quello di compensare le variazioni di intensità della sorgente o di sensibilità del rivelatore o, infine, le fluttuazioni del sistema elettronico in genere. • In uno spettrofotometro di AA il monocromatore ha un compito diverso rispetto alla normale spettrofotometria. In essa il monocromatore serve a prelevare da una sorgente continua la lunghezza d’onda che interessa, mentre in AA, poichè si lavora già su radiazioni monocromatiche ha la funzione di depurarle da quanto non interessa.

Sorgenti • L’AA è usato per le analisi quantitative, quindi non è necessario una lampada che emetta in tutto il campo spettrale. Per questo è indispensabile usare sorgenti che emettano righe con bande passanti molto piccole (0, 002 nm). Le radiazioni della sorgente devono essere molto intense, per compensare le dispersioni di energia che si verificano nel sistema. • La lampada più usata è quella a catodo cavo: è costituita da un bulbo in vetro, con finestra di quarzo in cui al suo interno contiene un catodo e un anodo; l’ambiente interno e riempito di gas (Ar o Ne). Il catodo e costituita da una capsulina, la quale nel fondo contiene l’elemento caratterizzante della lampada.

• Quando viene applicata una d. d. p. agli elettrodi, il gas di riempimento si ionizza (+); gli ioni positivi urtano il catodo provocando l’espulsione degli atomi superficiali che, dopo essere eccitati dal gas di riempimento con gli urti, ritornano allo stato fondamentale emettendo energia radiante. Queste lampade possono essere: a singolo elemento o multi elemento, meno sensibili di quello a singolo elemento perché possono dare sovrapposizione fra le righe spettrali.

• Lo spettrofotometro può montare più lampade, utilizzabili a turno.

La lampada a scarica a radiofrequenza Le lampade a scarica a radiofrequenza (RFL) mostrano le più elevate intensità radianti, e le righe di emissione più strette. Sono costituite da un bulbo di vetro nel quale si trova la bobina di un generatore di radiofrequenza. All’interno del generatore si trova poi un bulbo di quarzo sigillato contenente a sua volta l’elemento da analizzare. Quando viene attivato il campo di radiofrequenza, l’energia ad esso associata causa l’evaporazione del metallo; l’urto con gli atomi del gas inerte provoca l’emissione delle righe spettrali caratteristiche. 17

Atomizzatore a fiamma • È costituito da un tubo cilindrico diviso in due zone, la camera di nebulizzazione e la camera di premiscelazione; il tutto è collegato ad una testata dove avviene la combustione e l’atomizzazione. Il campione viene aspirato nel nebulizzatore, trasformato in aerosol e immesso nella camera di premiscelazione, dove si mescola con il gas combustibile e con il gas comburente (ossidante, es. : aria). Il gas comburente serve per mantenere viva la fiamma, ma funge anche da gas di trasporto nel nebulizzatore; ciò consente di variare il flusso del nebulizzatore senza variare il flusso alla testata. Nella camera di premiscelazione è presente un dispositivo che serve per abbattere le goccioline di soluzione troppo grosse. La velocità non deve superare un certo valore perché abbasserebbe la temperatura della fiamma riducendo l’efficienza di atomizzazione (quindi, la sensibilità dell’analisi). Tutti i materiali sono inerti. La testata del bruciatore è in titanio, per resistere alla corrosione e al calore.

La fiamma • Possono essere usati vari tipi di fiamma a seconda dell’elemento da analizzare: ariaacetilene (2300 °C), aria-idrogeno (2050 °C), protossido d’azoto-acetilene (2800 °C) e aria/argon-idrogeno (300 -800 °C). • Nei bruciatori con premiscelazione, solo una piccola frazione di soluzione aspirata giunge alla fiamma.

Fornetto di grafite • Questo sistema di atomizzazione senza fiamma è chiamato a fornetto di grafite e la relativa tecnica GFAAS. Si tratta di un sistema interamente automatizzato, che consente di abbassare notevolmente (1000 volte) i limiti di rivelabilità, inoltre consente di lavorare su aliquote molto piccole di campione. • La misura di assorbimento viene fatta sui vapori atomici che si liberano rapidamente nello stadio finale del riscaldamento. Il segnale che si ottiene è un picco la cui area (altezza) è direttamente proporzionale alla massa dell’analita.

Il campione (20 – 100 μl) viene introdotto nel tubicino di grafite per mezzo di una micropipetta o di un campionatore automatico. Nel tubo fluisce un gas inerte, che espelle l’aria rendendo l’atmosfera non ossidante e quindi adatta a far rimanere gli atomi del campione allo stato fondamentale. Per mezzo di un opportuno programma termico automatizzato si procede all’allontanamento del solvente (essiccamento) alla distruzione della matrice (incenerimento) e alla volatilizzazzione dell’analita atomizzazione). 23

• Nel caso analizzassimo il mercurio useremmo il sistema a vapori freddi. Il campione viene fatto reagire con un potente riducente (Sn. Cl 2 o Na. BH 4). Gli atomi di mercurio (Hg 0) vengono allontanati dalla soluzione facendo gorgogliare l’aria nella soluzione, che viene successivamente essiccata e indirizzata sulla cella di uno spettrofotometro attraversata dalla radiazione. Con questo metodo è possibile rilevare tracce di mercurio fino a 9 ng/l.

Rivelatore • E’ un fotomoltiplicatore, del tutto identico a quelli usati in spettrofotometria.

SISTEMI DI CORREZIONE DELL’ASSORBIMENTO DI FONDO • Sotto il termine di “assorbimento di fondo” sono comprese una serie di interferenze che causano un variazione di assorbimento della luce. Il rilevatore infatti converte il segnale luminoso che riceve ma non può sapere come è stato generato a monte, ovvero se c’è stato un calo non dovuto all’analita.

• Affinché si realizzi il processo di AA è necessario che la specie chimica interessata venga trasformata in atomi isolati. • Il campione nebulizzato viene aspirato nel bruciatore dove si miscela con il combustibile e il comburente. Sulla fiamma il solvente evapora ed il sale disciolto fonde, evaporando poi a sua volta. • Fino a questo punto l’elemento in esame si trova legato ad un anione. L’energia della fiamma INDESIDERATO (o del fornetto) permette però la dissociazione in atomi, e la INDESIDERATO successiva (indesiderata) eccitazione.

Interferenze fisiche • Queste derivano dalle caratteristiche fisiche della matrice in cui si trova l’elemento da analizzare. • Se la soluzione è più o meno viscosa degli standard, o se ha una tensione superficiale diversa, il comportamento nella fase di nebulizzazione sarà differente. • Si può migliorare la resa di nebulizzazione, preparando gli standard opportunamente, in modo che siano il più possibile simili al campione (questo mediante l’impiego del metodo dell’aggiunta).

Interferenze chimiche Un esempio è dato dal fatto che la presenza di fosfati interferisce nella determinazione del calcio, perché si forma il pirofosfato, che non si dissocia (l’assorbimento diminuisce). Questa interferenza può essere eliminata: • usando una fiamma più calda • aggiungendo una piccolissima quantità di lantanio, che dà un fosfato più stabile di quello di calcio. • aggiungendo un eccesso di EDTA che complessa il calcio, dando il chelato Ca-EDTA che si decompone facilmente e rapidamente in fiamma, e quindi non interferisce.

Se invece si ha la formazione di composti refrattari all’atomizzazione quando si conduce un’analisi mediante impiego di fornetto di grafite, tale interferenza può essere eliminata mediante: • uso di grafite trattata piroliticamente • aggiunta di un modificatore, cioè un reagente che rende più volatile la matrice e meno l’analita Na. Cl +NH 4 NO 3 → Na. NO 3 + NH 4 Cl 1400°C 210°C 380°C 330° C

Le interferenze da ionizzazione • La fiamma aria – acetilene, avendo elevate temperature, può causare una parziale ionizzazione degli atomi di elementi alcalini e alcalino–terrosi. • Per ovviare a questo problema si usa aggiungere al campione e agli standard un diverso metallo alcalino (agente schermante) in concentrazione massiccia; in tal modo sarà quest’ultimo a ionizzarsi principalmente, creando al contempo, a causa del grande eccesso di elettroni nella fiamma, un’atmosfera riducente che inibirà la ionizzazione dell’elemento che interessa. Ba Ba 2+

Interferenze spettrali • Le interferenze spettrali sono date da sovrapposizioni di segnali di assorbimento da parte del campione e delle eventuali sostanze interferenti alla lunghezza d'onda desiderata (per esempio interferenze date da altri metalli che presentano una linea spettrale situata in prossimità della riga di risonanza propria dell'elemento in analisi). Anche fumi e sostanze organiche causano un assorbimento non riconducibile solo all'analita, e quindi possono comportare errori notevoli. • Possono essere di vario tipo: – – – 1) 2) 3) 4) 5) interferenze interferenze spettrali da emissione spettrali atomiche spettrali molecolari spettrali di scattering non specifiche

Interferenze spettrali da emissione Sono dovute all’emissione o dell’elemento eccitato oppure delle molte specie che si formano durante i processi in fiamma. Si può evitare usando luce pulsata. Anche il fornetto di grafite ha problemi analoghi

Interferenze spettrali atomiche e molecolari • Avvengono quando nella matrice si trova un elemento, diverso dall’analita, che dà una riga spettrale vicino alla riga analitica; le sovrapposizioni non sono molto frequenti perché la lampada fornisce bande passanti molto strette (0, 002 nm). • Più frequente è il caso che nella fiamma siano presenti specie molecolari come Ca. OH che assorbe 554 nm, molto vicino alla riga di assorbimento del bario (553, 6). • In entrambi i casi si ha un aumento dell’assorbanza. • Questo tipo di interferenza può essere minimizzato usando fiamme con temperature più elevate, migliorando l’efficienza di atomizzazione.

Interferenze spettrali di scattering • Nella fiamma possono esservi particelle solide o gocce di soluzione non perfettamente vaporizzate che provocano fenomeni di diffusione della luce (scattering), aumentando l’assorbimento. L’intensità della radiazione diffusa è inversamente proporzionale alla quarta potenza della lunghezza d’onda. Questo fatto può creare problemi a lunghezze d’onda piccole (< 250 nm). • Questo tipo di interferenza può essere minimizzato cambiando il rapporto combustibile –comburente per ottenere una completa distribuzione della matrice. • Non si può ovviare a questo problema in caso di analisi di un metallo volatile in matrice termoresistente, perché in tal caso si avrebbe ionizzazione dell’analita.

Assorbimento di fondo • Le interferenze derivanti dall'assorbimento di radiazioni da parte di molecole e radicali presenti nella fiamma sono dette anche non specifiche. Questo assorbimento si somma a quello specifico del solo analita ed è detto assorbimento del fondo. • L'assorbimento di fondo abbassa l’intensità della radiazione emessa dalla lampada a catodo cavo e per eliminarlo si utilizza – il metodo delle linee – la lampada al deuterio nel caso che la lunghezza d'onda dell'analisi sia nell'UV – l’effetto Zeeman nel caso si lavori con il fornetto di grafite munito dell'apposito dispositivo, o più semplicemente con il metodo delle aggiunte.

Metodo delle linee • Per eliminare il rumore di fondo si misura • il segnale vicino al picco dell’analita • il segnale del picco dell’analita • Per ottenere il valore di assorbanza dell’analita ripulito si sottrae l’assorbanza del r. d. f all’assorbanza dell’analita.

Metodo della sorgente continua • Per superare il problema deve essere disponibile uno strumento doppio raggio nel quale affiancare una sorgente continua al deuterio (banda passante 0, 2 nm) alla normale sorgente a catodo cavo (banda passante 0, 002 nm).

Se analizziamo come rispondono le due diverse sorgenti ai due assorbimenti in questione possiamo fare le seguenti osservazioni. • L’assorbimento specifico degli atomi in analisi è trascurabile sulla sorgente continua mentre è ben netto sulla sorgente a catodo cavo. • L’assorbimento di fondo, a banda larga, assorbe in maniera significativa la luce di entrambi le sorgenti e le decurta approssimativamente nella stessa percentuale.

• Nello strumento, a valle del rivelatore, esiste un equalizzatore che ha il compito di rendere uguali le intensità delle due bande. Lo strumento fa questa operazione sia sui raggi provenienti dal percorso di riferimento sia su quelli in uscita dalla fiamma. • Chiameremo IDR e ICC R le intensità provenienti dalle due sorgenti, dopo equalizazzione, quando si è in assenza di assorbimenti (raggi di in uscita dal riferimento). Esse rappresentano anche le intensità in ingresso alla fiamma. Riferimento Fotomoltiplicatore Equalizzatore ICCR IDR

• Le intensità che escono dalla fiamma, quando in essa viene introdotto il campione, sono equalizzate secondo il rapporto memorizzato nell’operazione precedente e i loro valori saranno ID e ICC. Le loro intensità saranno diminuite rispetto a quelle di partenza, ma in modo differente. Infatti, come sappiamo, l’intensità del catodo cavo cala sia per l’assorbimento di fondo (AF) sia per l’assorbimento atomico (AA), mentre l’intensità della sorgente continua cala solo per l’assorbimento di fondo (AF) poiché l’assorbimento di fondo è trascurabile rispetto all’intensità della sorgente. Campione Fotomoltiplicatore Equalizzatore ICC ID

• Dai quattro valori di intensità (IDR, ICCR, ID e ICC) si ricavano le assorbanze relative alle due lampade:

L’assorbimento atomico netto, quello dovuto soltanto all’analita e che nei nostri grafici è rappresentato da un rettangolino giallo, è ricavabile da Anetto= Acatodo cavo - Adeuterio - Ma poiché

Correzione con sistema Zeeman • Se è no la frequenza di risonanza di un elemento, significa che essa sarà assorbita o emessa dai suoi atomi. Quando però tali atomi sono immessi in un campo magnetico la luce scambiata deve avere anche altre caratteristiche. • In particolare, è assorbita la radiazione con no solo se essa ha polarizzazione parallela alle linee del campo, ma può assorbire ad altre due frequenze, simmetriche a no purchè esse siano polarizzate perpendicolarmente alle linee del campo no no

• Si usa un dispositivo che consente di applicare un campo magnetico trasversale rispetto al sistema di atomizzazione e pulsato a intervalli di pochi millisecondi. Inoltre la riga emessa dalla sorgente viene polarizzata in senso perpendicolare al campo magnetico. • A campo spento AF assorbono sia l’analita AA sia il fondo poiché non hanno alcuna Calo dovuto limitazione sulla sia a AA sia a AF polarizzazione della luce. Sorgente • A campo acceso, la luce della sorgente non ha più le caratteristiche adatte per essere assorbita dall’analita, mentre il fondo assorbe. Sorgente Calo dovuto solo a AF

• Il rivelatore confronta quindi il segnale in uscita a campo spento e a campo acceso per trovare quale è il contributo dell’assorbimento di fondo e ricavare poi il valore netto dell’assorbimento atomico.

• Quando gli atomi di un elemento vengono eccitati, possono passare in uno stato elettronico di energia maggiore rispetto allo stato fondamentale e, in parte, possono restituire all’ambiente l’energia in più sotto forma di radiazioni elettromagnetiche. • In tal caso vengono emesse le stesse frequenze che sono assorbite quando in una nuvola di elemento atomizzato passa un fascio di luce policromatica.

• In linea di principio tutti gli spettrofotometri per AA possono lavorare anche in emissione, ma più frequentemente si ricorre a una strumentazione apposita, i cui componenti sono del tutto analoghi a quelli già analizzati per gli strumenti in assorbimento.

• Il sistema che si è rivelato più efficace è per eccitare l’analita consiste nel far ricorso al plasma, un gas formato da ioni ed elettroni, eccitato da un campo magnetico oscillante in grado di far arrivare la zona di emissione 7000 K

• Il dispositivo è detto torcia perché il plasma ricorda visivamente una fiamma. • E’ costituito da tre tubi concentrici in cui fluisce argon; nel capillare centrale viene immesso anche il campione nebulizzato. • In quello esterno l’argon raffredda la parte più bassa della torcia prima di entrare nel plasma

Una bobina, percorsa da corrente alternata ad alta frequenza, produce un campo magnetico oscillante che genera (con una scarica elettrica) e mantiene il plasma Le radiazioni emesse da questa zona del plasma sono prelevate e focalizzate da una lente sulla fenditura di ingresso del monocromatore

Molti elementi sono analizzabili con questa tecnica