1. Generalităţi. Definirea metodei de analiză...........................................................2 2. Principiul metodei........................................................................................................4 3. Avantajele metodei....................................................................................................8 4. Dezavantajele metodei............................................................................................10 5. Aparatura utilizată....................................................................................................11 6. Etapa preparativă de pregătire a probelor.........................................................14 7. Descrierea metodei de lucru specifice................................................................16 8. Rezultate furnizate..................................................................................................19 9. Interpretarea rezultatelor obţinute...................................................................20 10. Aplicaţii în identificarea componentelor alimentare........................................21 11. Bibliografie ...............................................................................................................24
2
1.Definirea metodei de analiză
Spectroscopia a reprezentat iniţial studiul interacţiunii dintre radiaţie şi materie în funcţie de lungimea de undă (λ). De fapt, istoric, spectroscopia s-a referit la utilizarea luminii vizibile dispersate în funcţie de lungimea de undă a sa, de exemplu, printr-o prismă.
Fig.1. Dispersia luminii trecând printr-o prismă triunghiulară
Mai târziu, conceptul a fost extins foarte mult pentru a cuprinde orice măsurare a unei cantităţi în funcţie de lungimea de undă sau de frecvenţă. Astfel, de asemenea, se poate referi la un răspuns la un câmp alternativ sau frecvenţă variabilă (ν). O nouă prelungire a domeniului de aplicare al definiţiei adăugată de energie (E), ca o variabilă, o dată ce relaţia foarte strânsă E = hν pentru fotoni a fost realizată (h este constanta lui Planck). Spectroscopie de absorbţie este o tehnică, în care puterea unui fascicul de lumină măsurate înainte şi după interacţiune se compară cu un eşantion. Tehnici specifice de absorbţie tind să fie menţionate de lungimea de undă a radiaţiilor măsurate cu spectroscopia de absorbţie cu ultraviolete, în infraroşu sau cu microunde. Absorbţia se produce atunci când energia fotoniilor se potriveşte cu diferenţa de energie dintre cele două stări ale materiei. La baza spectrometriei de absorbţie atomică se află fenomenul de autoabsorbţie sau autoinversie a liniilor spectrale observat de Fraunhofer în 1817 si definit de Kirchoff în 1859
3
prin legea : orice corp chimic poate absorbi acele radiaţii pe care el însuşi le poate emite în condiţii determinate şi ulterior aplicate analitic de către Walsh în 1955. Filiala spectroscopiei care se ocupă de măsurarea energiei radiante transmise sau reflectate de către un organism, este o funcţie a lungimii de undă. Măsurarea este de obicei, comparată cu cea transmisă sau reflectată de un sistem care serveşte ca un standard. În chimie şi fizică, diferite tipuri de spectrofotometre acoperă game largi ale spectrului electromagnetic: ultraviolete (UV), lumina vizibilă, infraroşu (IR), sau cu microunde. Spectrofotometria UV este deosebit de utilă în detectarea şi cuantificarea substanţelor incolore, în soluţie. În metoda spectrofotometrică se măsoară valoarea absolută a absorbanţei folosind aparate numite spectrofotometre.
4
2.Principiul metodei
Fig.2.Procesul de absorbţie atomică Spectrofotometria de absorbţie atomică se bazează pe determinarea concentraţiei unui element chimic din proba ce se analizează, prin măsurarea absorbţiei unei radiaţii electromagnetice cu lungime de undă specifică, la trecerea acesteia prin mediul în care sunt uniform distribuiţi atomii liberi ai elementului respectiv. Nivelul de absorbţie este proporţional cu concentraţia atomilor în mediul de distribuţie. Dacă lumina doar a lungimii de undă influenţează drumul liber, starea de bază a unui atom, atomul poate absorbi lumina şi intră într-o stare excitată într-un proces cunoscut sub denumirea de absorbţie atomică. Acest proces este ilustrat în fig. 2. Absorbţia atomică măsoară cantitatea de lumină, la lungimea de undă de rezonanţă, care este absorbită în timp ce aceasta trece printr-un nor de atomi. Deoarece numărul de atomi în calea luminii creşte, cantitatea de lumină absorbită creşte într-un mod previzibil. Prin măsurarea cantităţii de lumină absorbită, o determinare cantitativă a valorii elementului analit prezent poate fi făcută. Utilizarea surselor de lumină speciale şi o selecţie atentă a lungimii de undă permite determinarea cantitativă a elementelor specifice individuale, în prezenţa altora. Norul de atomi necesar pentru măsurătorile de absorbţie atomică este produs prin furnizarea de energie termică suficientă probei pentru a disocia compuşii chimici în atomi liberi. Aspirând o soluţie de probă într-o flacără aliniată în fasciculul luminos serveşte acest scop. În condiţiile flacării propriu-zise, cea mai mare parte din atomi va rămâne în forma stării de bază şi sunt capabili să absoarbă lumina la lungimea de undă de analiză de la o lampă de sursă. Uşurinţa şi viteza cu care aceste determinări precise şi exacte pot fi realizate cu această tehnică au făcut absorbţia atomică una dintre cele mai populare metode de determinare a metalelor.
5
Fig.3. Elemente detectabile prin absorbţie atomică sunt evidenţiate în roz în acest tabelul periodic.
Vom descrie mişcarea de obiecte macroscopice cu ajutorul legiilor lui Newton ale fizicii. Putem cu uşurinţă măsura viteza, acceleraţie, forţa, cinetica şi potenţialul energiilor, precum şi cuantifica efectele gravitaţionale. Cu toate acestea, atunci când ne uităm la particule atomice (de exemplu, protoni, electroni, neutroni, etc), nu mai putem descrie mişcarea şi energia, utilizând fizica newtonienă. Caracteristicile particulelor atomice sunt descrise utilizând teoreme ale mecanicii cuantice. Mecanica cuantică - sau chimia cuantică - descrie geometria atomiilor şi moleculelor, în termeni ai expresiilor matematice complexe. De asemenea, descrie stăriile relative ale materiei atomice. Spectrometria de absorbţie atomică utilizează principiile chimiei cuantice pentru a detecta prezenţa
anumitor metale (de exemplu, fier, aluminiu, cupru, etc), şi
determină concentraţia acestor metale în probe. Toţi atomii şi componentele lor au energie. Nivelul de energie la care există un atom face referire la starea sa. În condiţii normale, atomii există în cele mai stabile stări ale lor. Ne referim în special la cel mai stabil nivel şi anume starea de bază. Chiar dacă noi nu putem măsura starea de energie precisă pentru un atom, putem măsura de obicei, modificări de la energie sa relativă la starea sa de bază. Anumite procese pot schimba starea de energie pentru un atom. De exemplu, adăugarea de energie termică (căldură) poate provoca un atom să crească într-o stare mai mare de energie. Ne referim la stările de energie, care sunt mai mari decât stările de bază ca şi stările excitate. În teorie, există stări excitate infinite, cu toate acestea, există în scădere numeroşi atomi dintr-o populaţie care ating stări excitate mai mari. 6
Legile mecanicii cuantice ne spune că atomii nu îşi măresc nivelurile lor de energie treptat. Un atom merge direct de la un stare la alta, fără a trece prin stări intermediare. Ne referim la aceste "salturi cuantice" ca tranziţii. Tranziţia de la starea de bază (notată ca E 0) la prima stare excitată (E 1) impune o anumită formă de intrare de energie. Această energie este absorbită de către atom. Atunci când această absorbţie de energie are loc în prezenţa luminii ultraviolete, o parte din acea lumină va fi absorbită. Această absorbţie UV are loc la o lungime de undă specifică. Fiecare element din tabelul periodic va avea un E specifică care va absorbi o anumită lungime de undă de lumină UV. Relaţia dintre tranziţia de energie şi lungimea de undă poate fi descrisă prin relaţia: DE=h/λ în cazul în care h este constanta lui Planck. Absorbţia atomică foloseşte această relaţie pentru a determina prezenţa unui element specific bazat pe absorbţie într-o lungime de undă specifică. De exemplu, calciu, absoarbe lumina, cu o lungime de undă de 422.7 nm. Fierul absoarbe lumina, la 248.3 nm. În absorbţia atomică, există două metode de adăugare a energiei termice la un eşantion: •
un cuptor de grafit AAS foloseşte un tub de grafit cu un curent electric puternic pentru a încălzi proba;
•
tehnica spectroscopiei cu absorbţie atomică în flacără(FAAS).
Spectrofotometria de absorbţie atomică are la bază similitudini cu spectrometria de emisie atomică (flamfotomeria) de la care a preluat
flacăra şi cu spectrometria de absorbţie
moleculară a soluţiilor prin faptul că măsoară absorbţia unui sistem, cu deosebirea că în locul cuvei cu soluţie se află flacăra în care se pulverizează soluţia de analizat. Principiul
metodei cuptorului de grafit: În cuptor, proba trece printr-o serie de
pretratamente înainte de analiză. Prima probă se usucă prin evaporarea solventului (în acest caz apa). În al doilea rând matricea organică este descompusă prin încălzirea probei (de multe ori la temperaturi de peste 1000 º C). Trebuie să fie luate măsuri în timpul acestor paşi pentru a nu pierde analitulul prin procesele de evaporare . În cele din urmă, cuptorul este rapid încălzit la temperaturi de aproximativ 2400 º C pentru a produce vaporizarea atomiilor neutrii, cât mai mulţi în starea lor electronică de bază . Principiul metodei cu flacără: Flacăra, ca sursă spectrală, are o capacitate extrem de mică de a excita atomii. Din această cauză, numărul atomilor excitaţi sau ionizaţi este neglijabil, aproape toţi atomii vaporizaţi în flacără aflându-se în stare fundamentală; astfel , probabilitatea ca o radiaţie să fie absorbită este mult mai mare decât cea de a fi emisă. 7
Ca principiu, atomii în stare de vapori în flacără pot fi excitaţi cu o radiaţie externă, producând asupra flăcării un fascicul de radiaţii de diferite frecvenţe, printre care şi frecvenţa liniei de rezonanţă, caracteristică elementului analizat. În aceste condiţii, fiecare specie atomică absoarbe selectiv propria sa radiaţie de rezonanţă şi, ca urmare, intensitatea acesteia se diminuează după trecerea prin flacără. Absorbţia radiaţiei de rezonanţă (autoabsorbţia) este proporţională cu numărul atomilor în stare fundamentală aflaţi în flacără, număr direct proporţional cu concentraţia substanţei în soluţia de analizat. Totodată , absorbţia atomilor depinde de grosimea stratului absorbant şi nu depinde de temperatura flăcării. Considerând că radiaţia incidentă monocromatică de intensitate I0 traversează un strat absorbant de grosime b în care se află un număr N de atomi liberi, în stare fundamentală, la ieşirea din strat (flacără) intensitatea radiaţiei transmise It scade conform legii Lamber-Beer la valoarea : It = I0e-N· b·Ka Unde Ka – coeficientul de absorbţie atomică pentru care se consideră că numărul de atomi excitaţi termic (la nivelul n) este neglijabil în raport cu numărul total de atomi N aflaţi în stare fundamentală. Din relaţia de mai sus reiese absorbanţa sau transmitanţa sunt: A = logI0/It = KaNb sau T = It/I0 =e-N·b·Ka La baza determinărilor sta,deci, funcţia liniară A=f(N); deoarece Ka si b sunt constante şi se poate trasa o curbă de etalonare A=f(C). Schema de principiu a unui spectrometru de absorbţie atomică este:
Fig.4. Schema de principiu a unui spectrometru de absorbţie atomică
8
3. Avantajele metodei
Spectrofotometria cu absorbţie atomică se caracterizează prin rapiditate şi simplitate in execuţie, o mare specificitate, deoarece deasupra flăcării se proiectează numai radiaţiile care pot fi absorbite de o specie atomică dată şi o mare sensibilitate, limitele de detecţie ale acestor metode fiind destul de ridicate (de exemplu: Ag 0,0005 ppm; Ba 0,002 ppm; Ca 0,0005 ppm; Pd 0,02 ppm; Te 0,1 ppm). Spectroscopie de absorbţie atomică a fost folosită pentru determinarea cantitativă a celor mai multe metale în tabelul periodic. Acest lucru ilustrează aplicarea pe scară largă a metodei de analiza cantitativă elementară. S-a demonstrat experimental a fi foarte sensibilă în comparaţie cu alte tehnici de determinare a urmelor de metale. Multe elemente pot fi determinate la un nivel de milioane de concentrare , iar unele pot fi determinate la partea de miliarde de nivel. Aceste fapte ilustrează o sensibilitate înaltă a metodei. Un alt avantaj al metodei este gradul său ridicat de libertate de interferenţe. Două elemente nu pot absorbi la aceeaşi lungime de undă de rezonanţă ca unul pe altul. Ca urmare, prezenţa unui element nu interferează în mod direct cu absorbţia de radiaţie de către un alt element. Metoda spectrometriei absorbţiei atomice are numeroase şi variate domenii de aplicabilitate, în special în analiza în urme iar în analizele tehnice metalurgice se aplică pentru determinarea elementelor de aliere din oţeluri, fonte, aliaje, aplicaţii biologice, medicale, clinice, de mediu, industria alimentară . Pentru a obţine cele mai bune rezultate la AA, parametrii instrumentali şi chimici ai sistemului trebuie să fie orientaţi spre producţia de atomi în stare neutră, motivul elementului de interes. Conversia din proba de la starea sa nativă la starea atomică poate fi realizată folosind o flacără (flacără-SAA) sau un cuptor electric (electrotermic sau SAA cuptor cu grafit). Metoda cuptorului cu grafit oferă atât sensibilitate şi selectivitate deoarece alte elemente în probă, în general, nu vor absorbi lungimea de undă aleasă şi, prin urmare, nu va interfera cu măsurarea. Cu toate acestea, specia moleculară poate fi, de asemenea, formată în timpul paşilor de atomizare. Acest lucru poate modifica caracteristicile spectrale ale analitului de metal sau poate provoca interferenţe spectrale la lungimea de undă monitorizată. Pentru a reduce interferenţele de fundal, lungimea de undă de interes este izolată de către un monocromat plasat între probă şi detector. Spre deosebire de metoda cu flacără care poate analiza doar soluţii,metoda cuptorului cu grafit poate analiza soluţii,reziduri sau probe solide.
9
Metoda cu flacără utilizează un arzător de tip slot pentru a creşte lungimea pe cale, în timp ce cuptorul de grafit are mai multe avantaje pe o flacără. Este un atomizor mult mai eficient decât o flacără şi se pot accepta direct cantităţi absolute foarte mici de probă. De asemenea, oferă un mediu de reducere pentru elemente uşor de oxidat. Probele sunt introduse direct în cuptorul de grafit şi cuptorul este încălzit electric în mai multe etape încât să usuce proba, cenuşă materie organică, precum şi să evapore atomii analitului.
10
4. Dezavantajele metodei
NU DETERMINĂ NEMETALE: În prezent, această metodă nu a fost găsită utilă pentru determinarea directă de elemente nemetalice, cum ar fi halogenurile, oxigenul şi azotul. NU ANALIZEAZĂ DIRECT PROBE SOLIDE ŞI GAZOASE : O altă problemă în absorbţia atomică, este faptul că este foarte utilă pentru analiza probelor de lichid, dar nu a fost utilizată cu succes pentru analiza directă de solide sau gaze. Dificultatea apare în faza de atomizare. DETERMINĂ DOAR UN ELEMENT PE RÂND: Echipamentul care este disponibil în prezent este construit pentru a determina doar un element pe rând. Acest lucru nu ar constitui o problemă, dacă un număr de probe trebuie să fie analizate pentru un singur element. Dar, în cazul în care o probă trebuie să fie analizată de o serie de elemente, ar putea apărea o dificultate. Fiecare element trebuie să fie determinat separat. INTERFERENŢE ANIONICE : Sursa majoră de interferenţă analitică este de la anionii prezenţi în probă. Anionii nu absorb radiaţia atomică, dar afectează populaţia de atomi liberi formată în atomizor .
11
5. Aparatura utilizată
Fig.5. Spectrometru de absorbţie atomică
Aparatura : Spectrofotometrul de absorbţie atomică constă intr-o sursă de lumină care emite spectrului de frecvenţe linia unui element, un dispozitiv de vaporizare a probei, un mijloc de a izola o linie de absorbţie şi un detector fotoelectric cu echipamentul electronic de amplificare şi de măsurare asociate acestuia.
Arzător : Cel mai frecvent tip de arzător este un "amestec prealabil", dar ar trebui să fie utilizat capul arzătorului recomandat de către producătorul spectrofotometrului.
Citire: Cele mai multe instrumente sunt echipate fie cu un digital sau cu un mecanism citire nul metru , şi instrumentele moderne au microprocesoare capabile să integreze semnale de absorbţie de-a lungul timpului şi să liniarizeze curba de calibrare, la concentraţii mari.
Becuri : Pot fi utilizate fie o lampă cu catod cavitar sau o lampă cu descărcare fără electrod. O lampa separată este necesară pentru fiecare element care trebuie măsurat.
Presiune : Reducerea presiunii din supape este necesară pentru a reduce presiunea ridicată de combustibil şi gaze oxidante din rezervoarele de stocare la presiunea de funcţionare controlată a instrumentului.
Ventil : Un orificiu situat la aproximativ 30 cm deasupra arzătorului va elimina fumul şi vaporii de la flacără, protejând astfel personalul de laborator de vapori toxici şi instrumentul de fum coroziv. Un flux de aer este de obicei, recomandat de producător.
METODA CUPTORULUI DE GRAFIT
Omogenizator, utilizat pentru mărunţirea probelor;
Spectrofotometru de absorbţie atomică;
Balanţă analitică electronică; 12
Cuptor de calcinare;
Cuptor cu microunde;
Celule de atomizare din cuarţ;
Pipete automate verificate metrologic;
Creuzete şi capsule de porţelan pentru calcinare;
Vase de reacţie din teflon;
Pipete, baloane cotate (clasa A), cilindrii gradaţi şi sticlărie uzuală de laborator (pâlnii simple,pahare, baghete);
Butelie de argon.
Reactivii
Aer, curăţat şi uscat printr-un filtru adecvat pentru a elimina ulei, apă şi alte substanţe străine .
Acetilenă, stare comercială standard.
Apă de înaltă puritate(distilată şi deionizată) este esenţială pentru pregătirea tuturor reactivilor de calibrare şi de standarde.
Soluţie de calciu. Se dizolvă 630 mg de carbonat de calciu, CaCO3 , în 50 ml de 1+5 HCl. se fierbe uşor pentru a obţine soluţia completă. Se răceşte şi se diluează până la 1000 ml cu apă.
Acid clorhidric, HCl, 1 %, 10 %, 20 %, 1 +5, 1+1 şi concentrat.
Soluţie Lantan. Se dizolvă 58,65 g de oxid de lantan, La2O3, în 250 ml HCl concentrat. Se adaugă acid încet, până când materialul este dizolvat şi se diluează până la 1000 ml cu apă.
Peroxid de hidrogen, 30 %.
Acid azotic, HNO3 , 2 %, 1 +1 şi concentrat.
Fig.6. Spectrometru de absorbţie atomică cu cuptor de grafit ataşat 13
Sursa de lumină.O lampă de catod este o sursă stabilă de lumină, care este necesar să emită caracteristici spectrale ascuţite ale elementului urmează să fie determinat. O lampă diferită de catod este necesară pentru fiecare element, deşi există unele lămpi care pot fi utilizate pentru a determina trei sau patru elemente diferite în cazul în care catodul le conţine pe toate . De fiecare dată când o lampă este schimbată, alinierea corectă este necesară pentru a obţine cât mai multă lumină posibilă prin flacără, unde analitul este atomizat, şi în monocromator.
Fig.7. Diagrama de bază a unei lămpi cu catod gol Lămpi cu catod cavitar sunt folosite ca sursa de lumină pentru măsurătorile AA. Majoritatea HCL sunt lămpile cu un singur element cu catod gol acoperite cu elementul dorit. Lămpile sunt, în general, umplute cu neon la presiune redusă (1-5 torr), sunt exploatate în câteva sute de volţi (150 la 400 volţi) şi necesită curenţi de oriunde de la aproximativ 3 - 25 mA. Celulele atom sunt componente, cu două funcţii majore: nebulizează soluţia de probă într-o soluţie de aerosoli, şi disociază elementele analitului într-o stare fundamentală sub formă gazoasă . Nu întreg analitul trece prin flacără, o parte din el este eliminat. Odata cu trecerea probei prin flacără, fasciculul de lumină trece prin ea în monocromator. Atomizor - AAS impune ca atomii analitului să fie în faza de gaz. Ionii sau atomi într-o probă trebuie să fie supuşi dizolvării şi vaporizării într-o sursă de temperatură înaltă, cum ar fi o flacără sau cuptor de grafit. Flacără AAS poate analiza doar soluţii, în timp ce grafit AA cuptor poate accepta soluţii, reziduuri, sau probe solide. Lumina de separare şi detectarea – AAS utilizează monocromatoare şi detectoare pentru lumina UV şi vizibilă. Scopul principal al monocromatorului este de a izola linia de absorbţie de lumină de fundal din cauza interferenţelor. Tuburile fotomultiplicatoare sunt detectoarele cele mai comune pentru AAS, care convertesc semnalul luminos într-un semnal electric. Procesare de semnal electric este îndeplinită de către un amplificator de semnal . The signal could be displayed for readout (6), or further fed into a data station (7) for printout by the requested format. Semnalul ar putea fi afişat pentru citire, sau în continuare transmis într-o staţie de date pentru printare în formatul solicitat. 14
6. Etapa preparativă de pregătire a probelor
Se prepară soluţii etalon de concentraţii de metal cunoscute în apă, cu o matrice similară cu proba eşantion. Standardele ar trebui să claseze concentraţiile aşteptate ale probei şi trebuie să fie în conformitate cu metoda de lucru. Standarde foarte diluate ar trebui să fie pregătite zilnic din soluţii standard stoc având concentraţii de cel puţin 100 mg/l (care pot fi obţinute de la furnizori comerciali). Cadmiu : se dizolvă 0,100 g de metal Cd în 4 ml HNO3 concentrat. Se adaugă 8 ml HNO3 concentrat şi se aduce la 1000 ml cu apă. Calciu : se suspendă 0,2497 g CaCO3 în apă, se dizolvă cu un minim de 1+1HNO3. Se adaugă 10 ml HNO3 concentrat şi se aduce la 1000 ml cu apă. Crom : se dizolvă 0,1923 g CrO3 în apă,se adaugă 10 ml HNO3 concentrat. Se completează pâna la 1000 ml cu apă. Cupru : se dizolvă 0,100 g de Cu metalic în 2 ml HNO3 concentrat. Se adaugă 10 ml HNO3 concentrat şi se aduce la 1000 ml cu apă. Fier : se dizolvă 0.100 g de sârmă Fe într-un amestec de 10 ml 1 +1 HCl şi 3 ml HNO 3 concentrat . Se adaugă 5 ml HNO3 concentrat şi se completează la 1000 ml cu apă. Plumb: Se dizolvă 0,1598 g Pb(NO3)2 într-un minim de HNO3 şi se completează până la 1000 ml cu apă. Magneziu: se dizolvă 0,1658 g MgO într-un minim de 1+1 HNO3. Se adaugă 10 ml de HNO3 concentrat şi se aduce la 1000 ml cu apă. Mangan : se dizolva 0,1000 g Mn în 10 ml HCl concentrat amestecat cu 1 ml HNO 3 concentrat. Se completează până la 1000 ml cu apă.
15
Nichel : se dizolvă 0,1000 g Ni metal în 10 ml de HNO 3 concentrat fierbinte. Se răceşte şi se aduce la 1000 ml cu apă. Potasiu : se dizolvă 0,1907 g KCl în apă şi se completează până la 1000 ml cu apă. Sodiu : se dizolvă 0,2542 g NaCl în apă, se adaugă 10 ml HNO 3 concentrat şi se aduce la 1000 ml cu apă. Tin : se dizolvă 1 g de Sn în 100 ml de HCL concentrat şi se completează până la 1000 ml cu apă. Zinc : se dizolvă 1 g Yn în 20 ml 1+1 HCl şi se completează până la 1000 ml cu apă. Proba supusă analizei se prelucrează corespunzător (tocare, marunţire, mojarare, omogenizare) în aşa fel încât să se realizeze o masă uniformă şi omogenă. În timpul prelucrării trebuie exclusă orice fel de impurificare. Proba astfel prelucrată se păstrează în pungi de plastic bine închise.
16
7. Descrierea metodei de lucru specifice
Cea mai avansată şi răspândită tehnică de determinare a unor concentraţii mici de metale grele din probe este tehnica de absorbţie atomică cu cuptor de grafit. În această tehnică un tub de grafit este plasat în compartimentul pentru probe a spectrofotometrului, astfel încât radiaţia electromagnetică cu lungime de undă specifică să treacă prin el. Un mic volum din soluţia probei este cantitativ plasată în interiorul tubului printr-un orificiu de injecţie a probei localizat în centrul peretelui tubului.Tubul este încălzit la diferite temperaturi conform unei secvenţe de temperaturi programate până când , în final, proba este disociată în atomi şi are loc absorbţia atomică.Cum atomii creaţi difuzează în tub, absorbanţa creşte şi scade sub forma unui peak. Înălţimea sau aria acestui peak sunt utilizate la determinarea cantitativă a conţinutului de metale grele din proba. Prin mineralizarea probei, elementele de constituţie sunt scoase din combinaţiile organice şi aduse în stare de compuşi minerali, care apoi sunt trecuţi prin dizolvare în soluţie acidă. Soluţia introdusă în tubul de grafit suferă mai multe transformări : apa se evaporă, substanţele minerale se topesc apoi se volatilizează, iniţial sub forma de molecule şi imediat, sub influenţa temperaturii înalte, moleculele se descompun eliberând atomii componenţi. În final, dar practic instantaneu, se realizează atomizarea. Radiaţia electromagnetică ce traverseaza tubul, este furnizată de o sursă specială ce eliberează numai radiaţia monocromatică cu lungime de undă specifică elementului ce se cercetează (catodul lămpii este confecţionat din acel element ). Absorbţia acestei radiaţii se va realiza numai de către atomii elementului chimic corespunzător din soluţia ce se analizează ( se ştie că fiecare elment chimic are capacitatea de a absorbi din spectru doar radiaţia monocromatică cu lungime de undă specifică lui). Pentru evaluare cantitativă este necesară folosirea unui standard de referinţă şi anume, o soluţie care conţine numai elementul dorit, cu concentraţie cunoscută. În metoda de absorbţie atomică cu flacără, se aspiră un eşantion într-o flacără folosind un Nebulizer. Flacăra este aliniată într-un fascicul de lumină de lungime de undă corespunzătoare. Flacără (energie termică) face ca să se supună unui atom de tranziţie de la starea de bază la prima stare excitată. În cazul în care atomii realizează tranziţia lor, ei
17
absorb o parte din lumina de întâlnire. Cu cât soluţia este mai concentrată,cu atât mai multă energie va fi absorbită!
Fig. 8. Diagrama schematică a absorbţiei atomice cu flacără
Fascicul de lumină este generat de o lampă care este specifică pentru un metal ţintă. Lampa trebuie să fie perfect aliniată, astfel că raza traversează cea mai fierbinte parte a flăcării şi trece în detector. Detectorul măsoară intensitatea fasciculului de lumină. Atunci când o parte din lumina este absorbită de un metal, intensitatea fasciculului este redusă. Detectorul înregistrează acea reducere ca o absorbţie. Acea absorbţie este afişată de un sistem de citire a datelor. Aşa cum diagrama indică, există patru părţi primare în sistem - sursă de lumină, aparatul de flacără, detector, şi sistemul de date. Putem găsi concentraţiile de metale într-o probă care rulează o serie de standarde de calibrare prin intermediul instrumentului. Instrumentul va înregistra absorbţia generată de o concentrare dată. Prin trasarea de absorbţii comparativ cu concentraţii ale standardelor, o curbă de calibrare poate fi reprezentată grafic. Ne putem uita apoi la absorbţie pentru o soluţie de probă şi de a folosi curbele de calibrare pentru a determina concentraţia în soluţie. Modul de lucru al acestei metode cuprinde următoarele etape: Reglarea aparatului 1. Se instalează o lampă cu catod cavitar pentru elementul dorit în aparat şi se setează lungimea de undă la setarea adecvată pentru element. 2. Se setează lăţimea fantei în funcţie de valoarea sugerată de producător pentru elementul care urmează a fi determinat. 3. Se porneşte instrumentul şi se ajusta lampa la nivelul sugerat de producător. 18
4. Se lasa aparatul să se încălzească, 10-20 minute, şi se reajustează curentul dacă este necesar. 5. Se ajustează lungimea de undă, până când este obţinut câştigul optim de energie. 6. Se aliniază lampa, în conformitate cu instrucţiunile din manualul de operare. 7. Se instalează capul adecvat arzătorului şi se ajustează poziţia sa. 8. Se realizează admisia de aer. Se reglează debitul la debitul recomandat astfel încât să acorde sensibilitate maximă pentru metalul care trebuie măsurat. 9. Se porneşte admisia de acetilenă. Se reglează debitul recomandat, se aprinde şi se aşteaptă câteva minute ca flacăra să se stabilizeze. 10. Se aspiră un gol de apă deionizată şi acid concentrat comform standardelor şi probelor. 11. Se reglează aparatul. 12. Se aspiră o soluţie standard. Se ajustează debitul de aspiraţie.Se ajustează arzătorul orizontal şi vertical, pentru a obţine un răspuns maxim. Pregătirea curbei de calibrare 13. Se selectează cel puţin trei concentraţii din fiecare soluţie standard. 14. Se aspiră un gol si se reglează aparatul. 15. Se aspiră fiecare standard, la rândul său în flacără şi se înregistrează absorbanţa. 16. Se prepară o curbă de calibrare prin trasarea absorbanţei standardelor împotriva concentraţiilor lor. Acest pas nu este necesar pentru instrumentele cu citire directă de concentraţie. Analiza probelor 17. Se clăteşte nebulizatorul prin aspirare de apă care conţine 1,5 ml HNO3 pe litru. 18. Se atomizează o probă şi se determină absorbanţa ei. 19. Se schimbă lampa şi se repetă procedura pentru fiecare element.
19
8. Rezultatele furnizate
Se trasează curba de etalonare şi se citeşte concentraţia elementului din curbă. Se calculează conţinutul, w, ca fracţie de masă a elementului de determinat, în miligrame pe kilogram de probă, folosind următoarea formula :
w=
( a −b )*V m
(mg/kg ),
unde w - concentraţia din probă, în miligrame per kilogram a- concentraţia din soluţiile de probă, în miligrame per litru b- concentraţia medie din soluţiile martor, în miligrame per litru V- volumul de soluţie de probă, în mililitri m- masa de probă, în grame
20
9. Interpretarea rezultatelor obţinute
În funcţie de masa probei, volumul final al mineralizatului şi /sau diluţiile făcute, softul aparatului prelucrează aceste date şi afişează direct rezultatul. Se ia în considerare media celer două determinari, dacă sunt îndeplinite condiţiile de repetabilitate. r-repetabilitatea : valoarea sub care diferenţa absolută dintre rezultatele a două teste separate obţinută în condiţii de repetabilitate( de exemplu : aceeaşi probă, acelaşi operator, acelaşi aparat, acelaşi laborator şi interval scurt de timp) se situează în limitele unei probabilităţi specifice ( în principiu 95%), astfel r= 2.8xs(r). s(r) – deviaţia standard, calculată din rezultatele obţinute în condiţii de repetabilitate.
21
10. Aplicaţii în identificarea componentelor alimentare
DETERMINAREA METALELOR GRELE( Pb, Cd ) DIN ALIMENTE PRIN SPECTROFOTOMETRIE DE ABSORBŢIE ATOMICĂ(METODA CUPTORULUI DE GRAFIT) Reactivi şi materiale Reactivi necesari pentru efectuarea analizelor: -
Apa de înaltă puritate (distilată şi deionizată). Se păstrează numai în recipiente de material
plastic, bine închise. -
Acid azotic : 65% lot K 33051543 Merck
-
Acid clorhidric : 37% lot K 33464517
-
Soluţii standard: 1000 mg/l: Cadmiu lot 1177955 Fluka; Plumb lot 1157725 Fluka;
-
perhidrol Soluţiile standard pentru elementele : Pb, Cd, se prepară din soluţiile concentrate(1000
mg/l.). Din fiecare soluţie se măsoară un volum de 10 ml, care se aduce cu apă la 100 ml în balon cotat şi se omogenizează bine. Aceasta este soluţia stoc ce conţine 100µg / ml (100 ppm).Soluţia se poate păstra timp de o lună. Din soluţia stoc se prepară soluţiile de utilizare cu concentraţii de ordinul microgramelor / ml, ca în exemplele din tabelul nr 1. Măsurările trebuie facute cu mare exactitate (pipete verificate). Soluţiile de utilizare se prepară în baloane cotate de 100 ml şi pot fi folosite max. două săptămâni.
Concentraţiile soluţiilor standard Soluţia
Soluţia stoc
Soluţia de
standard
ppm
utilizare nr.1
100 100
ppb 50 10
Plumb Cadmiu
22
Concentraţiile soluţiilor standard Curba de calibrare pentru plumb se face folosind etaloane cu concentraţii de 5,10, 15,20 respectiv 25 ppb. Diluţia la aceste concentraţii este facută de către aparat pornind de la soluţia de utilizare nr. 1 de 50 ppb. Curba de calibrare pentru cadmiu se face folosind etaloane cu concentraţii de 0,5 , 1, 1.5, 2 ppb. Diluţia la aceste concentraţii este facută de către aparat pornind de la soluţia de utilizare nr. 1 de 10 ppb. Mod de lucru Proba supusă analizei se prelucrează corespunzător (tocare, mărunţire, mojarare, omogenizare) în aşa fel încât să se realizeze o masă uniformă şi omogenă. În timpul prelucrării trebuie exclusă orice fel de impurificare. Proba astfel prelucrată se pastrează în pungi de plastic bine închise. A. Mineralizarea uscată. Creuzetul de porţelan curat, uscat şi păstrat în exicator se tarează la balanţa analitică, apoi în el se introduce o cantitate convenabilă din probă (cca. 2,5 ) şi se cântăreşte din nou. Toate cântăririle trebuie efectuate cu precizie şi notate în fişele de lucru. Creuzetul cu produs se aşează pe sita de azbest sau pe triunghiul de şamotă şi se arde la flacără mică a aragazului până la stadiul de cărbune. În faza finală a arderii se poate produce aprinderea cărbunelui. În acest caz se îndepărtează becul şi se lasă cărbunele să ardă până ce flacăra se stinge de la sine. Trebuie acordată o mare atenţie la arderea produselor care manifestă tendinţă de umflare sau împroşcare, pentru a evita pierderile în cursul acestor operaţiuni. După încheierea carbonizării la flacără (nu mai iese fum din creuzet), creuzetul se introduce în cuptorul electric reglat la 500±10°C unde se menţine un timp convenabil pentru finalizarea calcinării (10-16 ore). Cenuşa rezultată trebuie să aibă culoarea uniformă (albă sau cenuşie) şi să nu mai conţina puncte negre de cărbune. Pentru a controla stadiul în care se află cenuşa, se opreşte cuptorul din funcţiune, se deschide uşa şi se ia creuzetul cu un cleşte încălzit pe flacără sau pe peretele cuptorului. Dacă cenuşa este gata, se lasă creuzetele să se răcească în cuptorul de calcinare cu uşa cuptorului deschisă. După răcire, creuzetele se pun pe o placă de azbest şi se asteaptă răcirea lor completă pentru a se adăuga acidul clorhidric. 23
Prelucrarea mineralizatului În creuzetul cu cenuşă se adaugă 25 ml acid clorhidric diluat 1: 4 şi se încălzeşte pe baia de nisip 20-30 minute pentru dizolvare. Se ia apoi creuzetul cu grijă de pe baie, respectiv ochiul aragazului şi se pune creuzetul pentru răcire, pe o sită de azbest sau pe marginea băii. Apoi soluţia răcită trece cantitativ prin hârtie de filtru cantitativă cu porozitate medie, într-un balon cotat de 50 ml. Pentru asigurarea trecerii cantitative, creuzetul se spală în 2-3 reprize cu câte 5-6 ml apă şi lichidele de spălare se trec pe acelaşi filtru. În final se spală şi filtrul cu puţină apă, apoi balonul se completează la semn şi se omogenizează. În paralel se pregăteşte soluţia martor cu reactivii de la mineralizare. Din soluţia probei mineralizate astfel se pot determina : Cu, Zn, Pb, Cd. B. Mineralizarea la microunde. Se cântăreşte o cantitate convenabilă de probă, cca. 0,1 grame, se introduce în vasul de reacţie şi se adaugă 3 ml acid azotic concentrat, 0.5 ml de apă oxigenată şi se lasă să se stabilizeze reacţia. Apoi se închide bine vasul de reacţie şi se introduce în cuptorul cu microunde. Se aplică următorul program de digestie :
aducere la temperatura de 170º C, într-un timp de 10 minute;
aducere la temperatura de 180º C, într-un timp de două minute;
menţinere la temperatura de 180º C timp de 30 de minute;
scăderea temperaturii la 100º C într-un timp de 10 minute.
După încheierea programului se lasă vasele de reacţie la răcit în cuptor timp de 20 minute. Desfacerea lor se va face numai după răcirea lor completă şi cu multă grijă deoarece există pericolul degajării vaporilor de acid azotic concentrat. Extractul se transferă cu grija într-un balon cotat de 25 ml şi se aduce la semn cu apă bidistilată. Din soluţia probei astfel obţinută se pot determina Cd si Pb. Determinarea elementelor Cd si Pb se vor lucra pe cuptor de grafit. Cu cca. 30 minute înaintea determinării se deschide aparatul, se alege tehnica de lucru cu cuptorul de grafit, se acţionează lampa catodică ce corespunde primului element ce se determină, se deschide butelia de argon, se verifică aliniamentul cuptorului de grafit şi a pipetei autosamplerului, - toate acestea conform instrucţiunilor de lucru ce însoţesc aparatul. Se aşează în tava autosamplerului ( în locaţiile stabilite atunci când se construieşte metoda pe calculator ) reagentul de calibrare( apa distilată cu care aparatul va face şi diluţiile necesare ), soluţia de utilizare nr. 1 , reagentul blank şi probele.
24
Pentru verificarea corectitudinii rezultatelor obţinute, se lucrează o probă în paralel şi o probă fortificată .
Bibliografie 1. Ligia Stoica, Irina Constantinescu, ş.a. , Chimie generală şi analize tehnice, Ediţia II, Ed. Didactică şi Pedagogică, Bucureşti , 1991, pag.529-534. 2. Maria Pele, Chimie analitică şi analiză instrumentală, Ed. Matrix Rom, Bucureşti, 1999, pag. 262-267. 3. Sonia Gutt, Analiza instrumentală, Ed. Universităţii Suceava, Suceava, 1997, pag.68-72. 4. http://www.jhc.org/cgi/reprint/23/12/941.pdf 5. http://www.aurorabiomed.com/aas.htm 6. http://www.pharmacybd.com/download/assignments/Atomic %20Absorption%20Spectroscopy.doc 7. http://www.andor.com/learning/applications/Atomic_Spectroscopy/ 8. http://www.who.int/water_sanitation_health/resourcesquality/wqmchap8. pdf 9. http://translate.googleusercontent.com/translate_c?hl=ro&langpair=en| ro&u=http://www.scribd.com/doc/10514011/AtomicAbsorptionSpectrosco py&rurl=translate.google.ro 10. http://www.answers.com/topic/spectroscopy 11. http://www.gmu.edu/departments/SRIF/tutorial/aas/aas.htm 12. http://www.chemistry.nmsu.edu/Instrumentation/AAS_HCL.html 13. http://www.cee.vt.edu/ewr/environmental/teach/smprimer/aa/aa.html 14. www_RegieLive_ro_DETERMINAREA_PLUMBULUI_SI_CADMIULUI_DI N_ALIMENTE_PRIN_SPECTOMETRIE_DE_ABSORBTIE.zip
25
26
