Espectroscopia de absorción atómica

ESPECTROSCOPIA DE ABSORCIÓN ATÓMICA.
La espectroscopia de adsorción atómica usa la adsorción de la luz para medir la concentración de la fase
gaseosa de átomos. Ya que la mayoría de las muestras son sólidas o líquidas, los átomos o iones de los
analitos deben ser vaporizados a la flama o en un horno de grafito. Los átomos adsorben luz visible o
ultravioleta y hacen transiciones a niveles de energía más altos. La concentración del analito es determinada
por la cantidad de adsorción. Aplicando la ley de Beer−Lambert directamente en la espectroscopia AA es
difícil debido a la eficiencia de la atomización de la muestra de la matriz y a la no−uniformidad de la
concentración, y a la longitud de la trayectoria de los átomos del analito (en el horno de grafito AA). Las
mediciones de concentración son generalmente determinadas de una curva de calibración, después de haber
calibrado el aparato con los estándares de concentración conocida.
Instrumentación
Fuente de luz.
La fuente de luz usualmente es una lámpara de cátodo con vacío de los elementos a ser medidos. Los láseres
son también usados en estos instrumentos. Los láseres son suficientemente intensos para excitar los átomos a
mayores niveles de energía, esto permite a las mediciones de AA y fluorescencia atómica en un solo
instrumento. La desventaja de estas angostas bandas de luz es que solo se puede medir un elemento a la vez.
Los espectrómetros de AA usan monocromadores y detectores de luz visible y UV. El principal propósito de
un monocromador es separar la línea de absorción del fondo de la luz debido a las interferencias. Los
instrumentos de AA reemplazan a los monocromadores con filtro de interferencia band pass. Los tubos
fotomultiplicador son comúnmente usados como detectores de espectroscopia AA.
Atomizador.
La espestroscopía de AA necesita que los átomos se encuentren en fase gaseosa. Los átomos y iones de la
muestra deben sufrir desolvación y vaporización a altas temperaturas como en el horno de grafito o la flama.
La flama de AA solo puede ionizar soluciones analíticas, mientras que el horno de granito puede aceptar
soluciones, mezclas o muestras sólidas.
La flama de AA usa una hendidura de tipo mechero para incrementar la longitud de la trayectoria y así
incrementar la absorbancia total. Las muestras líquidas son aspiradas por un flujo de gas hacia una cámara de
nebulación/combinación para formar gotas pequeñas antes de entrar a la flama.
El horno de grafito tiene varias ventajas sobre la flama. Es mucho más eficiente y puede aceptar directamente
muestras muy pequeñas para usarse directamente. Además produce un ambiente de reducción para así oxidar
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fácilmente los elementos. Las muestras son puestas directamente el horno y el horno es calentado
eléctricamente en varios pasos para secar la muestra, en cenizas de materia orgánica y vaporizar los átomos de
analito.
La diferencia más importante entre un espectrofotómetro de absorción atómica y uno de absorción molecular
es la necesidad de convertir el analito en átomos libres. El proceso de convertir el analito en sólido, líquido o
solución a un átomo gaseoso libre se llama atomización. En la mayoría de los casos la muestra contiene el
analito sufre una preparación para dejar el analito en solución orgánica o acuosa. Dos métodos generales de
atomización son usados: atomización a la flama y atomización electrotérmica. Poco elementos son atomizados
usando otras técnicas.
Atomización a la flama. En la atomización a la flama la muestra es primero convertida en una suspensión de
gotitas de la solución. Esto se logra usando un ensamble nebulizador. La muestra es aspirada en una cámara
de spray pasando un vapor a alta presión que consiste de uno o más gases de combustión, pasa al final de un
tubo capilar sumergido en la muestra. El impacto de la muestra con el vidrio produce gotas en una solución en
aerosol. La suspensión en aerosol se combina con los gases de combustión en la cámara de spray antes de
pasar al quemador donde la energía térmica de la flama desolvata la suspensión de aerosol para secar el
aerosol a pequeñas, partículas sólidas. Después, la energía térmica volatiliza las partículas, produciendo vapor
que consiste de las especies moleculares, especies iónica y los átomos libres.
La energía térmica en la atomización a la flama es suministrada por la combinación de una mezcla
combustible oxidante. Los combustibles comúnmente usados son aire−acetileno y óxido de
nitrógeno−acetileno. Normalmente, el combustible y el oxidante son mezclados en proporciones
estequiométricas; sin embargo, una mezcla rica puede ser aceptable para que los átomos sean fácilmente
oxidables. El diseño más común para el quemador es con una ranura. Este quemador provee una longitud de la
trayectoria para monitorear la absorbancia y una flama estable.
El quemador es montado en una fase ajustable que permite al quemador ensamblarse para moverse vertical y
horizontalmente. El ajuste horizontal es necesario para asegurarse que la flama está alineada con la trayectoria
de los instrumentos ópticos. El ajuste vertical es necesario para ajustar la altura dentro de la flama en el que la
absorbancia es monitoreada. Esto es importante porque dos procesos que compiten, afectan la concentración
de los átomos libres. Un incremento en la residencia del tiempo resulta en una mejor eficiencia de la
atomización; entonces la producción de átomos libres se incrementa con la altura. Por otro lado, una
residencia muy larga de tiempo, puede conducir a la formación de óxidos metálicos, como Cr, la
concentración de los átomos libres es más grande en la cabeza del quemador. Para metales como Ag, que son
difíciles de oxidar, la concentración de los átomos libres se incrementa firmemente con la altura. Otros átomos
muestran perfiles de concentración que se maximizan a las características de la altura.
La manera más común de introducir la muestra en el atomizador de flama es por continua aspiración, en el
cual la muestra es pasada continuamente a través del quemador mientras se monitora la absorbancia. La
continua aspiración de la muestra, requiere de 2−5 ml de muestra. Se puede también alimentar
micro−muestras que es útil cuando el volumen es limitado o cuando la matriz de la muestra no es compatible
con el atomizador de flama. Por ejemplo, la continua aspiración de muestra que contiene altas concentraciones
de sólidos disueltos, como agua de mar, puede resultar en la acumulación de depósitos de sólidos en la cabeza
del quemador. Estos depósitos generalmente obstruyen la flama, bajando la absorbancia. La inmersión de la
muestra se logra con un muestreador automático. Las alimentación de las micro−muestras a la flama se logra
usando una micro−pipeta para poner 50−250 ðl de muestra en un embudo de teflón conectado al nebulizador,
o sumergiendo el tubo nebulizador en la muestra por corto tiempo. La sumersión de la muestra se logra con un
muestrador automático. La señal para micro−muestras es un pico transitorio en el que su altura o área es
proporcional a la cantidad de analito que es inyectado.
La principal ventaja de la flama por atomización es la reproducibilidad con que la muestra es inyectada en el
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espectrofotómetro. Una desventaja significante que la eficiencia de la atomización puede ser muy pobre. Esto
puede ocurrir por dos razones. Primero, la mayoría del aerosol producido durante la nebulización consiste de
gotas que son muy grandes para ser acarreadas hacia la flama por los gases de combustión.
Consecuentemente, casi el 95% de la muestra nunca llega a la flama. La segunda razón es que un volumen
grande de gases de combustión significativamente diluye la muestra. Juntas, estas contribuciones a la
eficiencia de atomización pueden reducir la sensibilidad, si la concentración del analito en la flama, es de
2.5x10−6 en esa solución.
Atomizadores electrotérmicos.
Una significativa mejora en la sensibilidad se logró con el calentamiento por resistividad en lugar de la flama.
Un atomizador electrotérmico muy común, es conocido como horno de grafito, que consiste de un tubo
cilíndrico de grafito de aproximadamente 1−3 cm de longitud, y 3−8 mm de diámetro. El tubo de grafito es
alojado en un ensamble que sella las salidas del tubo con ventanas ópticamente transparentes. El ensamble
también permite el paso de corrientes de gas inerte, protegiendo el grafito de la oxidación, y removiendo los
productos gaseosos producidos durante la atomización. Una fuente de poder es usada para pasar la corriente a
través del tubo de grafito, resultando en un calentamiento por la resistencia.
Las muestras entre 5 y 50 ðl, son inyectadas al tubo de grafito a través de un hoyo de diámetro pequeño
localizado en la parte superior del tubo. La atomización se logra en tres fases. Primero, la mezcla es secada
usando una corriente que eleva la temperatura del tubo de grafito a 110ºC. En la segunda etapa, que se llama
calcinado, la temperatura es incrementada a 350−1200ºC, a estas temperaturas cualquier material orgánico es
convertido en CO2 y H2O, y materiales inorgánicos son volatilizados. Estos gases son removidos por una
corriente de gas inerte. En la etapa final, la muestra es atomizada rápidamente incrementando la temperatura a
2000−3000ºC. El resultado es un pico perecedero cuya altura o área es proporcional a la cantidad de analito
inyectado en el tubo. Estas tres etapas se llevan a cabo en 45−90 segundos, la mayor parte del tiempo es usada
para secar y calcinar la muestra.
La atomización electrotérmica provee una significativa mejora en la sensibilidad atrapando el analito gaseoso
en un pequeño volumen en el tubo de grafito. La concentración del analito resultante en el vapor puede ser
1000 veces más grande que la producida en la atomización a la flama. El avance en sensibilidad y en la
detección de límites, es compensado por una significativa pérdida en la precisión. La eficiencia de la
atomización está fuertemente influenciada por el contacto de la muestra con el tubo de grafito, en el que es
difícil controlar la reproducibilidad.
Métodos de atomización misceláneos.
Pocos elementos pueden ser atomizados por una reacción química que produce un producto volátil. Elementos
como As, Se, Sb, Bi, Ge, Sn, Te y Pb forman hidruros volátiles tanto a la flama como en una observación de
un tubo de cuarzo calentado en la trayectoria óptica. El Hg es determinado por un método de vapor frío en el
que es reducido a mercurio elemental con SnCl2. El mercurio volátil es acarreado por un gas inerte a un tubo
de observación situado en la trayectoria óptica del instrumento.
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FUNDAMENTO TEÓRICO DE LA TÉCNICA.
La ley de Lambert−Beer (también llamada ley de Beer−Lambert−Bouguer) es una relación lineal entre la
absorbancia y la concentración de la absorción de la radiación electromagnética. La fórmula general de la ley
es:
A=aðxbxc
Donde A es la absorbancia transmitida, a una ð longitud de onda que depende del coeficiente de absorción, b
es la longitud de la trayectoria, y c es la concentración del analito. Cuando la concentración se maneja en
molaridad, la ley de Lambert−Beer se escribe:
A=ððxbxc
Donde ðð es la longitud que depende de la coeficiente de absorción molar en unidades M−1cm−1. La ð de
subíndice se sobreentiende como un valor específico de para una longitud de onda dada. Si varias especies
absorben luz a una longitud de onda en una muestra, la absorbancia total a la longitud de onda dada es:
A=(ððxbxc1)+ (ððxbxc2)+....
Donde los subíndices se refieren a absortividad y la concentración de las diferentes sustancias que están
presentes.
Mediciones experimentales son generalmente hechas en términos de transmitancia (T) que es definida por:
donde P es la potencia de la luz a través de la muestra y Po es la potencia inicial de la luz, la relación entre A
y T es:
En aplicaciones analíticas queremos medir la concentración de analito independiente de los efectos de la
reflexión, absorción del solvente, y otras interferencias. La figura de la derecha muestra las dos mediciones de
transmitancia que son necesarias para usar la absorción y así calcular la concentración del analito en solución.
El diagrama de arriba es solo para el solvente y el de abajo es para la absorción y solvente de la muestra. En
este ejemplo, Ps es la potencia de la luz que incide en la muestra, P es la potencia de la luz medida después de
que pasa el analito, el solvente y el contenedor de la muestra (celda) y Po es la potencia de la luz medida
después que atraviesa el analito solamente y la celda. La medida de la transmitancia en este caso se le atribuye
al analito únicamente.
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Dependiendo del tipo de instrumento, la medida de referencia puede ser hecha simultáneamente con la
medición de la muestra o con la referencia gravada en la computadora para generar el espectro completo.
Los modernos aparatos de absorción pueden mostrar los datos en transmitancia, % de transmitancia, o
absorbancia. Una concentración desconocida de analito puede ser determinada con la medición de la cantidad
de luz que absorbe la muestra aplicando la ley de Beer. Si el coeficiente de absortividad no se conoce, la
concentración se puede determinar usando una curva de calibración de la absorbancia contra la concentración
derivadas de los estándares.
Limitaciones de la ley de Lambert−Beer.
La linearidad de la ley de Lambert−Beer es limitada por los factores químicos o instrumentales. Las causas de
la no−linearidad son:
• Desviaciones de los coeficientes de absorbancia a altas concentraciones (>0.01M) debido a las
interacciones electrostáticas entre las moléculas por la proximidad.
• Dispersión de la luz debido a las partículas de la muestra
• Fluorescencia o fosforescencia de la muestra
• Cambios en la índice de refracción debido a las altas concentraciones
• Cambios en el equilibrio químico como función de la concentración
• Radiación no monocromática, las desviaciones pueden ser minimizadas usando una parte uniforme
del espectro de absorción como el máximo de absorción de banda
• Desviación de la luz.
APLICACIÓN DE LA TÉCNICA.
Molybdenum at Germany Norway spruce sites: Contents and mobility
Canadian Journal of Forest Research; Ottawa; Jul 2000; Friederike Lang; Martin Kaupenjohann;
Foreign Title:
Revue canadienne de recherche forestiere
Volume:
30
Issue:
7
Start Page:
1034
ISSN:
00455067
Full Text:
Copyright National Research Council of Canada Jul 2000
[Headnote]
Abstract: El molibdeno juega un papel importante en el ciclo del nitrógeno en los ecosistemas. Sin embargo,
se sabe muy poco de la disponibilidad de Mo es los suelos de los bosques. Medimos el oxalato extraíble de la
concentración de Mo en las tierras ácidas de los bosques, de los flujos de Mo, nitrato, fosfato del suelo
orgánico en los minerales de la tierra usando tubos de resina y las concentraciones de Mo de las tres agujas en
28 diferentes piceas noruegas. El suministro de oxalato−extraíble de Mo varió de 51 a 3400 g/ha, con los
valores más bajos que ocurrieron en la piedra arenisca derivada de la tierra (370 +/− 212 g/ha; mean +/− SD).
Las concentraciones de molibdeno en el presente año estuvieron en un rango de 5 a 48ng/g. Las
concentraciones de la aguja y el oxalato extraíble de Mo no se correlacionaron. Sin embargo, los flujos de Mo
(6−60 g/ha*a) de los suelos de tierra orgánica en los minerales estuvieron correlacionados con las
concentraciones de las agujas y los flujos de NO3. Concluimos que el ciclo de Mo en los ecosistemas de los
bosques están gobernados por la habilidad de las sales minerales de Mo así como también la adaptación de la
planta al Mo. Además, el ciclo de Mo afecta fuertemente la distribución de Mo dentro de los perfiles de tierra
y los flujos de Mo fuera de las capas orgánicas.
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Objetivo: investigar porque la concentración de molibdeno ha estado bajando en las agujas de las piceas en
Alemania y qué está relacionada dicha concentración. Las plantas que exhiben una carencia de molibdeno
muestran bajas concentraciones de nitrógeno, a pesar de que las plantas crecen con grandes soluciones de
NO3. Tratar de comprender los bajos niveles de nitrógeno si hay grandes cantidades de NO3.
Resumen: para explicar estos fenómenos, se explicó el muestreo de la tierra y de las agujas para obtener las
muestras. Aclaró cómo se prepararon las muestras para su análisis. Para medir las concentraciones de
molibdeno se uso espectroscopia de absorción atómica. Otros metales determinados con la misma técnica
fueron el Fe y Al. El espectrómetro usado fue SpectrAA 800 Z, Varian. Otras técnicas que se usaron, fueron la
cromatografía de gases y colorimetría.
Conclusiones: se hicieron inferencias estadísticas para llegar a las conclusiones. Los resultados muestran que
los suministros de molibdeno están determinados por los minerales padres de la tierra. En contraste las
concentraciones en las capas superiores de tierra se deben al ciclo del molibdeno dentro del sistema, sin
consideración a los materiales padre. Se hipotetiza que la planta toma el molibdeno de las capas orgánicas. La
equidad entre el molibdeno y el nitrato sugiere que las grandes concentraciones de nitrato, ayudan a la fijación
del molibdeno.
EJEMPLOS ADICIONALES.
• Espectroscopia de absorción atómica en productos alimenticios para cursos de carreras no científicas.
• Detección de la cantidad de excreción de oxalato y calcio en la fibrosis cística.
• Estructura las minúsculas partículas de los cristales de bario−titanio incluyendo magnesio y el análisis
de su vibración de red.
Bibliografía:
Modern Analytical Cehmistry. David Havey. Mc. Fraw Hill, 2000. USA. Pp 412−418.
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