absorcion atomica horno de grafito

ESPECTROSCOPIA DE ABSORCIÓN ATÓMICA EN HORNO DE GRAFITO Y GENERADOR DE HIDRUROS

ESPECTROSCOPIA DE ABSORCION ATOMICA EN HORNO DE GRAFITO Y GENERADOR DE HIDRUROS La Espectroscopía de Absorción Atómica año con año ha tenido mejoras tanto en el aspecto de sensibilidad como en la calidad y precisión de los resultados. Continuamente se han hecho mejoras, tanto en el logro de detección de cantidades cada vez mas pequeñas (al nivel de ultratrazas), así como en la calidad de la señal. La necesidad de detectar cantidades menores de elementos en muestras de: fluidos biológicos, aguas potables y residuales, componentes electrónicos, alimentos, etc. ha sido el origen de tal técnica. También, la tecnología de horno de grafito fué el resultado de la necesidad de contar con una técnica que emplease volúmenes mínimos de muestra. A principios de los setentas se desarrolló un componente esencial en un equipo de espectroscopía convencional de flama. Este consistía en un tubo hecho de grafito, sobre el cual se coloca la muestra líquida o sólida y de una manera controlada se lleva a cabo el proceso que ocurre en una flama de: evaporación del solvente>formación de sales>descomposición de la muestra>atomización. Por naturales razones a esta técnica se le llama Espectroscopía de Absorción Atómica en Horno de Grafito, o de una manera abreviada Horno de Grafito, quedando implícito que se refiere a ésta técnica de atomización sin flama. Las técnicas de Horno de Grafito tienen mucho en común con las técnicas de Espectroscopía en Flama. De hecho la finalidad en el Horno de Grafito es la misma que en la flama: la producción de una nube de átomos de un elemento específico y medir su concentración en función de la cantidad de radiación que es absorbida por la especie. Debe tenerse en cuenta que aún y cuando existen similitudes, hay también grandes diferencias entre estas dos técnicas. Asimismo los problemas inherentes a cada una de ellas son bien específicos. Por ejemplo: en Horno de Grafito se tiene casi siempre efectos de señal de fondo, mientras que en flama esto no es muy común a menos que la matriz de la muestra sea sumamente compleja. DIFERENCIAS Y SIMILITUDES EN LA ATOMIZACIÓN EN FLAMA Y EN HORNO DE GRAFITO: En una flama ocurre lo siguiente: La muestra aspirada es convertida en pequeñas gotas o sea que se forma un spray de partículas. Estas minúsculas gotas, si tienen un tamaño lo suficientemente pequeño y no son desechadas por el desagüe del nebulizador, llegan hasta el quemador, donde el solvente es evaporado y el sólido resultante se funde y vaporiza para formar moléculas volátiles y finalmente es disociada en átomos. Todo este proceso debe ocurrir en milésimas de segundo, que es el tiempo que dura en la flama la muestra aspirada en el nebulizador. En la técnica de Horno de Grafito (HG) se utiliza un tubo de grafito en vez de una flama como medio de atomización. La muestra es colocada en este tubo y por calentamiento por el paso de una corriente eléctrica por el sistema de horno de grafito, la temperatura del tubo se aumenta gradualmente, de tal forma que los procesos de: evaporación del solvente, calcinación, formación de compuestos volátiles y atomización, ocurren en un tiempo mucho mayor que en la flama, y es posible acortar o alargar estos periodos a voluntad. Como consecuencia de esto se pueden eliminar antes de la atomización las substancias que se encuentran en la matriz de la muestra y que son causantes de interferencias en la técnica de flama. Un gas inerte (generalmente argón) se utiliza como gas de acarreo, para desalojar continuamente del tubo de grafito: el solvente evaporado, los gases formados en la calcinación de la muestra, etc.

Facultad De Ciencias Químicas UACH

MC Edmundo Rocha DR Página 90


Cuando se llega el momento de atomizar la muestra se detiene el paso de gas inerte, si se desea que los átomos formados tengan un mayor tiempo de residencia en el tubo de grafito. El resultado final de la técnica de horno de grafito es una mucho mayor sensibilidad, de forma tal que se pueden detectar elementos en concentración del orden de partes por billón, mientras que en flama ordinariamente los rangos de detección son del orden de partes por millón. Esto es factible porque en el horno ocurren los siguientes procesos: i).-Después del secado y la calcinación de la muestra la cantidad de elementos susceptibles de atomizar quedan concentrados. Cuando se llega al paso de atomización se forma un gran numero de elementos atómicos, en mucho mayor cantidad y en forma mas eficiente que los que se obtienen en una flama convencional. En una flama la cantidad de átomos que se encuentran en ella es constante una vez alcanzado el equilibrio, ya que la cantidad de átomos formados es igual a la cantidad de átomos que escapan de la flama. En el horno de grafito los átomos son formados por una sola vez y en un corto tiempo, por lo que la señal es instantánea pero de gran intensidad. ii).-En flama, los gases producidos en la combustión arrastran los átomos producidos en la misma, por lo que su estancia en el haz de radiación es muy corto. En la técnica de Horno de Grafito (HG) es posible suprimir el paso de gas de acarreo, por lo que los átomos formados permanecen mas tiempo en el trayecto del haz de la lampara y consecuentemente se tiene una mayor señal en la lectura de absorbancia. iii).-En la técnica de flama los elementos contenidos en las pequeñas gotas que llegan al quemador no siempre son convertidas eficientemente en átomos, debido a que el tiempo disponible para: secadocalcinación-volatilización-atomización, es muy corto en la flama. En HG se dispone de mas tiempo y de una forma mas eficiente de transferir energía térmica a la muestra. De esta forma también el proceso de formación de átomos a partir de la muestra es mucho mas completo en HG que en flama. Sumados los efectos antes mencionados se tiene como resultado que en Horno de Grafito se tenga una sensibilidad 100 o 1000 veces mayor que la correspondiente a la técnica de flama. Otra ventaja del HG es que la cantidad de muestra requerida para el análisis es mínima, siendo valores en el rango de 10 a 100 µl. (microlitros 1 µl.=10-6 lts=10-3 ml.) por determinación. También es factible analizar por HG muestras sólidas sin ninguna previa disolución o preparación, lo cual sí es necesario en la técnica de flama. TÉCNICA DE ATOMIZACION EN HG: La atomización en horno de grafito, como se ha indicado, tiene como finalidad el efectuar de una manera controlada a voluntad, toda la secuencia de procesos que conducen a la atomización. La Figura 1 ilustra de que manera se programan los diferentes pasos en el tratamiento de la muestra para lograr la producción de un vapor de átomos. DESCRIPCION GENERAL DEL HORNO DE GRAFITO: El horno de grafito consiste de un cuerpo de acero con ciertos sensores eléctricos y que acomoda en su parte central una cavidad para que sea colocado un tubo de grafito. Este tubo de grafito consiste de un tubo cilíndrico hueco de aproximadamente 4 cm. de altura y 1 cm. de diámetro y con un orificio en el centro para poder inyectar la muestra líquida que se desea analizar. A través del cuerpo de éste horno de grafito fluye agua para enfriamiento del sistema cuando así se requiera, además de un gas inerte (argón, o nitrógeno) que sirve como gas de acarreo y de protección del sistema. El gas inerte fluye exteriormente al tubo de grafito para protegerlo de la oxidación que se provocaría a las altas temperaturas alcanzadas en la atomización. Este gas también fluye interiormente




para la doble finalidad de proteger al tubo interiormente y desalojar los componentes volátiles que ahí se produzcan. El calentamiento del horno y tubo se hace por medio de una fuente de poder eléctrica, la cual está controlada por un microprocesador. Este microprocesador recibe instrucciones a través de una computadora o por medio de un tablero propio para seguir una cierta secuencia de procesos como se describe mas adelante. Este microprocesador abre y cierra el gas inerte, sube la temperatura en la rampa indicada, sostiene la temperatura en el tiempo deseado, abre el flujo de agua para enfriamiento del horno después de la secuencia del programa completo, etc. Para trabajar en el sistema se dan una serie de pasos o secuencias de tratamiento a la muestra y esta misma secuencia se hace con todas y cada una de las muestras que se inyecten una vez que se ha establecido tal programa. De esta manera se compara los valores de lecturas obtenidas en: blanco, estandards y muestras. Los pasos o secuencia que se tienen en un análisis típico de HG son los que a continuación se detallan.

2400

TEMPERATURA EN ºC

2200

600

120 25 5

10

20

30

35

40

TIEMPO EN SEGUNDOS

Figura 1: Programa típico en HG: 0-5 seg calentamiento en rampa desde 25 hasta 120ºC; 5-10 seg. secado a temperatura constante de 120ºC por 5 seg.; 10-20 seg. calentamiento en rampa desde 120 hasta 600ºC en 10 seg; 20-30 seg. calcinación a temperatura constante de 600ºC durante 10 segundos; atomización desde 600 hasta 2200ºC y sostenimiento de la temperatura de atomización durante 5 seg; 35 a 40 seg. incremento desde 2200 hasta 2400ºC y sostenimiento de la temperatura durante 5 seg. para limpieza del tubo y preparación para la siguiente muestra. EVAPORACION DEL SOLVENTE: La evaporación del solvente se lleva a cabo con un calentamiento en rampa, en el cual la muestra inyectada se calienta paulatinamente a una velocidad de 10ºC/seg, ya que se programa para que suba la temperatura desde 20 hasta 120ºC en un tiempo de 10 segundos. Es esencial la rampa en algunos pasos del pretratamiento. En este caso, la rampa es una forma de evitar un calentamiento brusco provocando que el solvente se evapore rápidamente y arrastre consigo partículas de sólido que contienen el analito.




Después de la evaporación controlada del solvente se mantiene durante 5 segundos la temperatura a 120ºC. La temperatura es superior a la temperatura normal de ebullición del agua para asegurar que todo el solvente se desprenda de la muestra a atomizar. Comúnmente el solvente de la muestra es agua, pero estas temperaturas de secado pueden variar si el solvente es diferente: MIBC, alcohol, acetona, u otros solventes orgánicos. Los tiempos de secado así como la velocidad de la rampa dependen de la complejidad de la matriz donde se encuentra el analito y la selección de estos y otros parámetros dependerán de los resultados y la experiencia que el analista tenga con las muestras analizadas. CALCINACION DE LA MUESTRA: Una vez seca la muestra, deberán ser eliminados los componentes orgánicos volátiles que ésta pueda contener. También aquí es conveniente emplear una rampa para de esta manera volatilizar en forma paulatina los componentes de los mas a los menos volátiles. En nuestro ejemplo, una vez que se alcanza la temperatura de 600ºC se sostiene ésta durante 10 segundos para asegurar la pérdida de todos los volátiles Dependiendo de la complejidad de la matriz se puede tener mas de un paso de calcinación de la muestra. Esto también será selección del analista de acuerdo a su experiencia en las muestras analizadas. Tanto en el secado como en la calcinación, está fluyendo en forma interna y externa al tubo de grafito gas inerte o gas de acarreo, para expulsar del tubo los componentes volátiles que ahí se producen y evitar que causen absorción o dispersión de la radiación en la atomización del analito. ATOMIZACION: Una vez que se han separado el solvente y los volátiles orgánicos se produce la atomización de los componentes residuales de la muestra. En este paso se eleva drásticamente la temperatura utilizando el máximo de potencia del equipo para alcanzar la temperatura de atomización en el menor tiempo posible (en este caso 2200ºC). En este paso de atomización se interrumpe momentáneamente el flujo de gas inerte o gas de acarreo en la parte interior del tubo de grafito, para permitir que los átomos producidos en el calentamiento permanezcan la mayor cantidad de tiempo en el eje óptico por donde atraviesa el haz de radiación de la lámpara de cátodo hueco y de esta manera la señal registrada sea mas fuerte e intensa. LIMPIEZA DEL TUBO: Después que la muestra se ha atomizado, se abre el gas inerte o de acarreo y se incrementa unos 100ºC la temperatura (en este caso hasta 2400ºC) y se mantiene durante un corto tiempo (5 segundos en este caso). La finalidad de este ultimo paso es calcinar y volatilizar el residuo de material que pudiese existir de la muestra analizada, esto para evitar que la siguiente muestra que sea inyectada para su análisis se contamine con residuos de la muestra anteriormente procesada. ENFRIAMIENTO DEL SISTEMA: Después del paso de limpieza, el sistema del horno se enfría por medio de agua que fluye a través del cuerpo que rodea el tubo de grafito y una vez que el horno alcanza la temperatura ambiente se inyecta la siguiente muestra a analizar. LECTURA DE LA SEÑAL: La señal generada en un análisis típico de HG es muy rápida y debe ser procesada en tal forma. Anteriormente un graficador había sido la forma en que se registraban las señales de un horno de grafito. Los recientes avances en computación y electrónica han permitido que sea posible medir y tener una lectura en una pantalla de: Absorbancia (altura del pico); Absorbancia-Segundos (área del pico, Figura 2) o directamente en concentración. Debido a que estos instrumentos son sumamente rápidos al obtener una señal e integrarla, prácticamente no hay distorsión de ésta como si puede ocurrir al obtener la señal en un graficador. Tanto la altura del pico como el área del pico son proporcionales a la concentración y de ésta manera se puede relacionar la lectura, pero por experiencia se sabe que se obtiene la mejor linearidad en las curvas de calibración cuando se utiliza la función "Peak Area" o área del pico.




INTENSIDAD DE LA SEÑAL (ABSORBANCIA)

Area= Abs.Seg

h=altura del pico=Abs.

Figura 2: Registro de la señal de atomización como altura de pico (Abs.) ó area del pico (Abs.Seg.)

TIEMPO (SEGUNDOS)

TUBOS DE GRAFITO: Existen dos tipos de tubos de grafito; uno es de grafito de alta densidad, espectralmente puro. El otro es del mismo material, pero está recubierto con una delgada capa de grafito pirolítico. Ambos tubos tienen pequeñas ranuras en la superficie interna del tubo, cerca de cada terminal, lo cual se hace con la finalidad de tener un perfil de temperatura mas uniforme, lo cual favorece una descomposición mas efectiva de la muestra. También estas ranuras evitan que la muestra se difunda hacia las partes mas frías del tubo de grafito (Figura 3). Para soluciones acuosas, es posible trabajar con muestras de hasta 125 microlitros (µl.). Para muestras disueltas en solventes orgánicos se recomienda no utilizar volúmenes mayores de 50 µl. Los tubos normales de grafito son algo porosos, lo cual permite que ciertos materiales y elementos penetren en la estructura, donde pueden reaccionar con el grafito si la temperatura es lo suficientemente elevada. Los oxidantes poderosos pueden destruir fácilmente el tubo de grafito si esto ocurre. También es mas frecuente que en este tipo de tubos se presenten mayores interferencias debido a que las substancias causantes de esto son retenidas y solo se desprenden de la superficie del tubo cuando la temperatura es lo suficientemente alta (generalmente durante la atomización). Estos tubos de grafito son muy útiles para ciertos elementos y en algunas circunstancias. Los tubos de grafito recubiertos con material pirolítico tienen una superficie mas densa, lo cual impide la penetración del solvente, por lo que también estos son muy utiles en algunas aplicaciones especificas. Para elementos que forman carburos refractarios (ejemplo: B, Mo, Ti, U, V, Lantánidos, etc.) los tubos recubiertos con material pirolítico ofrecen mayor sensibilidad y reducen el llamado "efecto de memoria". Cuando se trata de atomizar elementos de bajos puntos de ebullición como: Cd, Se, As, Pb, etc. los tubos de grafito pirolíticos no ofrecen ninguna ventaja sobre los tubos convencionales. Sin embargo, si la matriz en que se encuentran estos elementos es compleja como por ejemplo: cloruros, sulfatos, etc. los tubos piroliticos ofrecen la ventaja de no producir tanta interferencia debido a que la matriz no es absorbida por el tubo de grafito. También cuando la muestra está disuelta en ácidos minerales oxidantes, los tubos piroliticos tienen mayor durabilidad debido a su superficie impermeable. La vida promedio de los tubos de grafito es de 50 a 300 determinaciones, lo cual varia dependiendo de los parámetros utilizados en la técnica de HG como son: tiempo y temperatura de atomización, tipo y pureza del gas inerte, naturaleza de la muestra, etc. La forma de saber cuando los tubos de grafito deben reemplazarse es en el momento en que la sensibilidad de estos decrece en un 20-25% respecto al valor de sensibilidad que se tenia originalmente. También es síntoma de envejecimiento del tubo la perdida de precisión, esto es, la no reproducibilidad de los resultados.




Para una vida mas larga de los tubos de grafito, es deseable un tiempo corto y una temperatura de atomización lo mas bajo posible. Temperaturas de atomización mayores de 2650ºC y tiempos de atomización de mas de 5 seg. son raras veces justificables. 1

4

2 3

1: RANURA PARA INTRODUCCION DE MUESTRA Y SALIDA DE GASES 2: CUBIERTAS OPTICAS DEL TUBO DE GRAFITO 3: HAZ DE RADIACION DE LA LAMPARA 4: FLUJO INTERNO Y EXTERNO DE GAS INERTE PARA PROTECCION DEL TUBO DE GRAFITO Y ACARREO DE LOS GASES PRODUCIDOS.

Figura 3: Tubo de Grafito y detalles del mismo MODIFICADORES DE MATRIZ: Una diferencia mínima en temperaturas entre el paso de pretratamiento y de atomización, y por lo tanto una señal mas limpia, se garantiza si se emplean altas temperaturas de pretratamiento y bajas temperaturas de atomización. Se pueden emplear altas temperaturas de pretratamiento cuando se emplea un adecuado modificador de matriz, lo cual resulta en la formación de un compuesto que sea térmicamente mas estable y que resista sin descomponerse altas temperaturas de pretratamiento. También, con el uso del modificador de matriz el elemento es mas estable, y en la atomización desde la plataforma se volatiliza en un periodo mayor, lo cual permite que se acerquen mas las condiciones a el equilibrio térmico. Es por esta razón que aún para soluciones de matriz simple se recomienda el uso de modificador de matriz. INTERFERENCIAS: Las interferencias son clasificadas en dos tipos: i).-Interferencias Espectrales: Las que se deben a el aislamiento incompleto de la línea emitida o absorbida por el elemento a analizar. ii).-Interferencias No Espectrales: Toda Señal ajena a la señal del analito y que no tiene como causas la distorsión en la linea absorbida o emitida. INTERFERENCIAS ESPECTRALES: Las principales interferencias espectrales ocurren en AA por: Absorción de radiación por traslapamiento de las líneas atómicas o moleculares emitidas por elementos y substancias que se encuentran en la matriz, con la línea absorbida o emitida por el elemento a analizar. Dispersión de la radiación emitida por la fuente, por partículas sólidas no volátiles formadas por efectos de la matriz.




El traslapamiento directo de las líneas del elemento en análisis, con líneas atómicas de elementos atómicos que acompañan al analito, es extremadamente raro en AA si se utiliza una abertura de slit lo suficientemente pequeña. Adicionalmente este efecto es independiente del tipo de atomización empleado, por lo que si se tiene la experiencia en flama de que no hay interferencias espectrales de este tipo, tampoco las habrá en horno de grafito. Los mas frecuentes tipos de interferencias en HG son interferencias espectrales por líneas moleculares de las especies formadas en la atomización, asi como por dispersión de la radiación por partículas sólidas volatilizadas en la atomización de la muestra. Estos dos efectos son llamados "Atenuación por Señal de Fondo", "Absorción de Fondo" o mas simplemente "Señal de Fondo". Lo cual significa en AA que parte de la radiación que emite la fuente primaria es absorbida por especies atómicas o moleculares que se encuentran formando parte de la matriz, o que es dispersada por partículas sólidas que se volatilizan en la atomización de la muestra. Tanto la absorción por especies diferentes al analito como la dispersión de la radiación dan origen a falsas absorbancias y señales no deseadas, que como se menciona anteriormente, recibe el nombre de señal de fondo. Las formas en que se puede corregir por efectos de la señal de fondo, es por medio del uso del efecto Zeeman y por el uso de una fuente continua de radiación. Con el uso de una fuente continua para corrección por absorción no atómica, se efectúa una compensación de la radiación que es absorbida de la fuente primaria de la siguiente manera: radiación de la fuente de líneas y de la lampara de radiación continua (lampara de deuterio), son pasadas alternativamente por el atomizador. El elemento atómico a determinar absorbe únicamente radiación de la fuente primaria (lampara de cátodo hueco o de descarga sin electrodos), mientras que si existen especies moleculares estas absorben radiación tanto de la fuente de líneas como de la lampara de radiación continua y lo hace en la misma proporción. De esta manera cuando la relación de intensidad de los dos haces (el de líneas y el de fuente continua) es detectado, el instrumento corrige electrónicamente por este efecto y la absorción por especies no atómicas es compensada en la lectura de absorbancia. Las limitaciones de los sistemas de fuente continua para corrección por señales no atómicas, son las que se enumeran a continuación: . 1).-Únicamente atenuaciones del orden de 0.5 a 1.0 de Absorbancia pueden ser compensadas. 2).-Únicamente se puede corregir adecuadamente, por dispersión y absorción molecular que es continua dentro del ancho de banda espectral. Las adsorciones moleculares de estructura fina que puedan ocurrir, o la absorción de radiación en forma discontinua dentro del rango espectral utilizado, automáticamente conduce a una sobrecompensación en la señal. 3).-Si parte de la radiación emitida por la fuente de radiación continua, es absorbida por átomos presentes en la muestra que no son del analito en estudio, también se tendrán resultados erróneos. 4).-Se requieren de dos lamparas para corregir dentro del rango de longitudes de onda empleados en AA. Una de ellas es la lampara de deuterio que cubre un rango de 195 a 320 nm y otra lampara de halógeno para corregir en el rango de 300 a 800 nm. Para corrección por absorción no especifica con el efecto Zeeman no existen estas limitaciones. Esta técnica que esencialmente consiste de un campo magnético modulado y que es transversal al horno de grafito, da origen a que las líneas atómicas sean desdobladas en tres o mas componentes, como efecto de un fuerte campo magnético aplicado. Si este campo magnético pulsado es aplicado a los átomos del analito en el horno de grafito, una compensación ideal por señal de fondo se logra al hacer incidir el haz de la lampara de líneas sobre la muestra. Cuando el campo magnético está apagado, la absorción de la radiación se debe a los átomos del analito así como a los componentes de la matriz que producen




absorción no atómica. Con el campo magnético encendido, los niveles de energía del átomo del elemento en análisis son ligeramente diferentes de los niveles de energía originales del átomo que no se encuentra sometido al fuerte campo magnético. Así las líneas de resonancia son desplazadas y bajo estas condiciones los átomos del analito no absorben la radiación emitida por la fuente de líneas. De esta manera la absorción se debe únicamente a las especies no atómicas que causan señal de fondo y el aparato puede compensar por este efecto, ya que alternadamente está recibiendo la señal del analito con la señal de fondo (campo magnético apagado) y únicamente la señal de fondo (campo magnético encendido). La diferencia entre la primera y la segunda señal es la absorbancia neta del analito. Con el corrector de señal de fondo con efecto Zeeman, no se requiere de una fuente de radiación adicional y permite compensaciones por absorción no especifica de hasta 2.0 unidades de absorbancia. Adicionalmente, con el efecto Zeeman es posible corregir por señal de fondo debido a compuestos moleculares que absorben en un amplio rango de longitudes de onda, por componentes de estructura fina y por dispersión de la radiación. Con un corrector de señal de fondo por efecto Zeeman, es menos problemático controlar la absorción no atómica, sin embargo, se deben seguir los mismos lineamientos apara evitar en lo posible este indeseable efecto. MUESTREADOR AUTOMATICO EN HG: Además del problema continuo de la presentación de interferencias en horno de grafito y la consecuente necesidad de su corrección, otro de los grandes inconvenientes de la técnica de HG es que cuando no se tiene un muestreador automático, existe la posibilidad de pérdida de reproducibilidad en los resultados cuando la técnica de inyección de la muestra de analito en el tubo de grafito no se hace con el cuidado y la reproducibilidad requerida. Si la inyección de la muestra es manual, el analista deberá aspirar la muestra con una micropipeta e introducir ésta al tubo de grafito a través del orificio que dicho tubo tiene dispuesto. La inyección o colocación de la muestra líquida en el tubo deberá hacerse teniendo cuidado de que la inclinación de la micropipeta sea la misma entre muestra y muestra, así como la penetración de la punta de la pipeta y la velocidad a la cual se baja el pistón de la micropipeta para depositar la muestra. Si esto no se hace en la misma forma entre cada solución inyectada existe la posibilidad de que la muestra liquida en el tubo no quede siempre en la misma posición y se puedan generar diferencias en el patrón de secado, calcinación y atomización entre blanco, muestras y estandards. Adicionalmente a lo anterior, a diferencia de lo que ocurre en flama, donde las muestras se analizan continuamente y en pocos segundos, en HG la secuencia de pasos en secado, calcinación, atomización, enfriamiento, etc. puede tomar de tres a cinco minutos, dependiendo de la complejidad de la muestra y lo largo del programa. Esto necesariamente conduce al fastidio y una baja productividad del analista, lo cual afecta la cantidad y calidad de los resultados. Los avances en robótica y microprocesadores han resuelto este problema, ya que actualmente existen sistemas automuestreadores, los cuales se programan para que en forma automática y repetitiva, tomen cada muestra, sigan su secuencia de pasos y registren en la memoria de un procesador de computadora los resultados obtenidos. En este caso se pone un carrousel de 50 o 100 muestras y después, al término de las muestras, se cambia el carrousel si es necesario. También es obvio que en el mismo carrousel se puede cambiar la lámpara y los parámetros del instrumento para analizar la misma muestra por otro elemento diferente. Por lo tanto es conveniente contar con un equipo de automuestreo si se desea liberar al analista de una inútil y excesiva carga de trabajo y al mismo tiempo tener resultados de mayor exactitud y precisión TÉCNICA DE GENERACION DE HIDRUROS: Aparte de las técnicas convencionales de flama y horno de grafito existe una tercera que es llamada técnica de generación de hidruros y de vapor en frío. Aunque ésta se describirá mas adelante con mayor detalle, podemos decir que este tipo de espectroscopia de absorción atómica tiene grandes ventajas sobre las dos primeras, sin embargo, esta técnica de genera-




ción de hidruros y de vapor en frío solo puede aplicarse a elementos que forman hidruros volátiles en condiciones normales (arsénico, bismuto, selenio, teluro y estaño) o que con un apropiado agente reductor liberan el metal, el cual es volátil a temperatura ambiente, como es el caso del mercurio. La técnica de Generación de Hidruros (GH) da excelentes resultados en lo referente a sensibilidad, ya que esta es cinco o diez veces mayor que la que se obtiene en HG, para los elementos anteriormente mencionados. Este mayor limite de detección se debe a que el vapor metálico es producido en un volumen relativamente grande de muestra (de 20 hasta 50 mililitros), por lo que se obtiene una señal momentánea pero muy intensa. Otra de las grandes ventajas y atractivos de la técnica de GH, es que: a diferencia de la técnica de horno de grafito es posible aislar completamente el elemento o el hidruro del elemento de las substancias que acompañan a la muestra. Esto tiene como consecuencia que prácticamente no se tengan interferencias por efectos de matriz, lo cual es muy frecuente (y muy problemático) en HG. Tabla 1: Comparación en los limites de detección entre las técnicas de Horno de Grafito (HG) y Generación de Hidruros (GH). Las concentraciones son en ppb o µg/lto. Volumen de muestra HG=100 µl; GH=50 ml. Elemento As Bi Sb Se Zn Te

Horno de Grafito 0.20 0.10 0.15 0.50 0.15 0.10

Generador de Hidruros 0.01 0.02 0.02 0.01 0.02 0.02

Por lo tanto, cuando se desea detectar con buena precisión hasta partes por billón (ppb=10-3 ppm) de estos elementos es imprescindible la técnica de generación de hidruros. La técnica de vapor en frío es idéntica a la técnica de GH, solo que en este caso se libera de la muestra el elemento en el estado metálico, no en forma de hidruro. Por esta técnica el único elemento posible de determinar es el mercurio, el cual es el único metal conocido que es volátil en condiciones ordinarias. La desventaja de la técnica de GH y de vapor en frío, es que se requiere de volúmenes de muestra relativamente grandes. DESCRIPCION DE LA TÉCNICA DE GENERACIÓN DE HIDRUROS: Algunos de los elementos de la tabla periódica de los grupos V y VI tienden a formar hidruros volátiles a temperatura ambiente en condiciones reductoras. La volatilidad de los hidruros formados permite que éstos sean separados de la solución o matriz donde se encuentran y pueden ser captados en forma concentrada en algún medio apropiado. Existen métodos analíticos en los cuales se produce el vapor de hidruro de arsénico y este es captado en una solución en la cual se forma un compuesto colorido con el arsénico y de ésta manera es cuantificado por espectroscopía visible o colorimetría. La separación por volatilización del elemento que se desea cuantificar ofrece grandes ventajas, ya que además de concentrar el elemento, los componentes de la matriz que pueden interferir se encuentran ausentes en la fase de vapor. Este mismo concepto se aplica en espectroscopía de absorción atómica. Se genera el hidruro volátil y éste se hace llegar a una celda de cuarzo a alta temperatura donde el hidruro se descompone a un vapor de átomos el cual es registrado como una señal transiente y de gran intensidad, en forma similar a como ocurre la atomización en HG.




El equipo para generación de hidruros de que se dispone comercialmente opera en forma similar a como se describe en la Figura 4. En forma detallada la generación del o los hidruros de la muestra se lleva a cabo de la manera siguiente: Se tiene un recipiente cónico en el fondo, donde se coloca la muestra a analizar. El fondo cónico tiene la finalidad de producir una agitación mas intensa y homogénea, y el volumen de muestra es de 10 a 50 ml. aunque es posible acomodar hasta 100 ml. Con la muestra se agrega ácido clorhídrico 1 M para favorecer las condiciones reductoras y es posible agregar unas gotas de permanganato de potasio 1 M el cual le da un tinte rosa a la solución de muestra y al ocurrir la reducción completa la solución se decolora por completo, lo cual garantiza la reducción a los hidruros correspondientes.

HIDRURO PRODUCIDO CELDA DE CUARZO GAS DE ARRASTRE FLAMA

HAZ DE RADIACION

SOLUCION DE BOROHIDRURO

RECIPIENTE DE REACCION

Figura 4: Descripción del sistema de generación de hidruros y detección en una celda calentada por una flama. El vaso cónico dispone de dos entradas y una salida. Una entrada es para inyectar una solución de borohidruro de sodio que es el agente reductor, y la otra entrada es para inyectar continuamente un gas inerte, que generalmente es argón o nitrógeno y que tiene la doble finalidad de agitar y mezclar la solución de muestra al mismo tiempo que es el gas de acarreo que conduce los hidruros generados hasta la celda de cuarzo donde ocurre la atomización. Por el conducto salida escapa el vapor de hidruros generado y es conducido hasta una celda de cuarzo la cual se encuentra a una temperatura no menor de 1200ºC donde el hidruro es descompuesto a hidrogeno y el elemento correspondiente en forma de una nube de átomos. El calentamiento de la celda de cuarzo puede ser por medio de corriente eléctrica, pero generalmente la fuente de calor es la flama misma, sobre la cual está montada la celda de cuarzo. A través de esta celda pasa el haz de radiación de la lámpara y se tiene la señal cuando se presenta el vapor de átomos. Esta señal, al igual que en el horno de grafito es registrada como altura de pico o área de pico. La rutina en el análisis es aproximadamente como sigue: se coloca la muestra en el recipiente cónico con el ácido. Inicialmente se inyecta gas de arrastre para homogeneizar y mezclar la solución y después de un cierto tiempo se inyecta la solución de borohidruro de sodio la cual se hace llegar hasta la celda de cuarzo que está colocada sobre la flama encendida. La señal es captada a través de un registrador o algún otro aditamento que tenga la capacidad de procesar la señal generada. Se efectúa lo mismo en blanco estandars y muestras para obtener una curva de calibración




TÉCNICA DE GENERACION DE VAPOR EN FRIO: Cuando el elemento se puede reducir al estado elemental y formar una masa de vapor de átomos se puede cuantificar directamente el analito. De todos los elementos de la tabla periódica, el mercurio es el único elemento que puede reducirse hasta mercurio metálico en forma directa y a temperatura ambiente. En este caso la técnica tiene como única variación que la celda de cuarzo no debe estar a altas temperatura ya que no es necesario disociar el hidruro y por lo tanto a esta técnica se le llama de vapor en frío. Debido a que la celda no está sometida a altas temperaturas, la volatilidad del vapor es menor en esta celda a temperatura ambiente, por lo que los átomos del elemento duran una mayor cantidad de tiempo en el eje óptico y la señal es de mucho mayor intensidad. Tal cualidad permite que el mercurio pueda ser detectado de esta manera hasta niveles de partes por trillón (ppt=10-3 ppb=10-6 ppm) LIMITACIONES DE LA TÉCNICA: La primer limitación de esta técnica es que está restringida a la cuantificación de elementos que formen hidruros volátiles a temperatura ambiente o que se reduzcan al estado elemental en condiciones apropiadas. Tales elementos son: As, Bi, Cd, Zn, Sb, Te y Hg. De igual manera a como ocurre en HG, en GH momentáneamente se forma una nube de átomos, por lo cual si se tiene instrumental que pueda captar señales y procesarlas con la rapidez apropiada se tendrán señales de alta intensidad. Debido a que el volumen de muestra requerido o admitido en GH es mucho mayor al requerido o admitido en HG la cantidad de átomos que potencialmente se pueden formar es mucho mayor en GH, por lo que ésta técnica tienen menores límites de detección que los correspondientes a horno de grafito y por supuesto a la técnica de flama. También, a diferencia de lo que ocurre en HG, la técnica de GH prácticamente no tiene interferencias por señal de fondo, ya que el analito se aísla de la matriz por volatilización, sin embargo sí se ha encontrado que ocurren interferencias cuando el estado de oxidación del analito varía (en flama y HG el estado de oxidación del analito es intrascendente), por ejemplo: el arsénico se puede presentar en los estados de oxidación Sb(III) y Sb(V), y éstos tienen diferente facilidad para reducirse y formar el hidruro correspondiente, por lo tanto, deberá darse un pretratamiento a la muestra si este es el caso, provocando la oxidación de todo el analito a un mismo estado de valencia. También se ha observado una interferencia que se le ha llamado cinética y se debe a que cuando se efectúa manualmente la inyección del borohidruro de sodio entre muestras y estandards, no se tiene la misma velocidad de producción de hidruros y esto causa que la masa de vapor de átomos que momentáneamente aparece en el eje óptico no necesariamente sea proporcional a la concentración de analito en la muestra Para evitar o minimizar este último error se puede emplear un medio mecánico controlado por un microprocesador o si se efectúa manualmente tener la practica y la precaución debida para inyectar y seguir toda la secuencia de la manera mas repetitiva posible.



absorcion atomica horno de grafito

Recommend Documents