Manual de Manual d e Métodos Métodos de Espectrometría Espe ctrometría de Absor Absorción ción Atómic Atómica a 9499 400 30011 Issue 5 010508
ESPECTROMETRÍA DE ABSORCIÓN ATÓMICA CONTENIDO Página
PARTE I PRINCIPIOS PRINCIPIOS DE LA ESPECTROME ESPECTROMETRÍA TRÍA DE AA AA SECCIÓN 1: 1: INTRODUCCIÓN................................................................................................... 11 1.1
Fundamento Histórico................................................................................ Histórico ................................................................................................ ................ 12
1.2 ¿Qué es la Espectrometría de Absorción atómica (AAS)? ............................................. 13 Figura 1 Diagrama de niveles de energía .......................................................................... 14
SECCIÓN SECCIÓN 2: TEORÍA TEORÍA DE LA ESPECTROM ESPECTROMETRÍ ETRÍA A DE ABSORC AB SORCIÓN IÓN ATÓMICA ATÓMICA ............ .................. ........ 17 2.1
Absorción ..................................................................................... ................................................................................................................... .............................. 17
Figura 2 Proceso de absorción............................................................................ .......................................................................................... .............. 17 Figura 3 Representación de orbitales de Bohr de la absorción de luz por un átomo de Litio .............................................................................. ..................................................................................................................................... ....................................................... 18 2.2
Emisión ............................................................................... ...................................................................................................................... ....................................... 18
Figura 4 Proceso de emisión ............................................................................... ............................................................................................. .............. 19 2.3
Formación de los Átomos libres................................................................................. 19
2.3.1 Producción de Átomos Átomos libres libres en en la llama ................................................................. 19 2.3.2
Producción de Átomos libres en un Atomizador Electrotérmico Electrotérmico ........................... 20
2.4
La distribución de Boltzmann..................................................................................... 24
2.5
La ley de Lambert-Beer ............................................................................................. 24
SECCIÓN 3: SISTEMA BÁSICO DE ABSORCIÓN AB SORCIÓN ATÓMICA................................................. ATÓMICA ................................................. 27 Figura 5: Espectrómetro de llama básico. .......................................................................... 27 3.1
3.1.1
Fuentes Lineales........................................................................................................ 28
Lámparas Lámparas de cátodo hueco ................................................................................... 28
ESPECTROMETRÍA DE ABSORCIÓN ATÓMICA CONTENIDO Página
PARTE I PRINCIPIOS PRINCIPIOS DE LA ESPECTROME ESPECTROMETRÍA TRÍA DE AA AA SECCIÓN 1: 1: INTRODUCCIÓN................................................................................................... 11 1.1
Fundamento Histórico................................................................................ Histórico ................................................................................................ ................ 12
1.2 ¿Qué es la Espectrometría de Absorción atómica (AAS)? ............................................. 13 Figura 1 Diagrama de niveles de energía .......................................................................... 14
SECCIÓN SECCIÓN 2: TEORÍA TEORÍA DE LA ESPECTROM ESPECTROMETRÍ ETRÍA A DE ABSORC AB SORCIÓN IÓN ATÓMICA ATÓMICA ............ .................. ........ 17 2.1
Absorción ..................................................................................... ................................................................................................................... .............................. 17
Figura 2 Proceso de absorción............................................................................ .......................................................................................... .............. 17 Figura 3 Representación de orbitales de Bohr de la absorción de luz por un átomo de Litio .............................................................................. ..................................................................................................................................... ....................................................... 18 2.2
Emisión ............................................................................... ...................................................................................................................... ....................................... 18
Figura 4 Proceso de emisión ............................................................................... ............................................................................................. .............. 19 2.3
Formación de los Átomos libres................................................................................. 19
2.3.1 Producción de Átomos Átomos libres libres en en la llama ................................................................. 19 2.3.2
Producción de Átomos libres en un Atomizador Electrotérmico Electrotérmico ........................... 20
2.4
La distribución de Boltzmann..................................................................................... 24
2.5
La ley de Lambert-Beer ............................................................................................. 24
SECCIÓN 3: SISTEMA BÁSICO DE ABSORCIÓN AB SORCIÓN ATÓMICA................................................. ATÓMICA ................................................. 27 Figura 5: Espectrómetro de llama básico. .......................................................................... 27 3.1
3.1.1
Fuentes Lineales........................................................................................................ 28
Lámparas Lámparas de cátodo hueco ................................................................................... 28
................................................................................... .. 29 Figura 6: Lámpara de cátodo hueco................................................................................. Figura 7. Parte del espectro lineal a partir de una lámpara de cátodo hueco de níquel ... 30
3.1.3
Lámparas Lámparas de salida Boosted................................................................................. Boosted ................................................................................. 31
3.1.4
Cátodos con Ranura..................................................................................... Ranura.............................................................................................. ......... 31
3.1.5
Lámparas Lámparas Multielemento Multielemento ....................................................................................... 31
3.1.6
Lámparas Lámparas de Descarga sin Electrodo ................................................................... 32
3.1.7
Lasers ...................................................................... .................................................................................................................... .............................................. 32
3.2
Atomizadores-Llama ................................................................................................. ................................................................................................... 32
3.3
Horno ........................................................................... ......................................................................................................................... .............................................. 34
3.4
Monocromadores ................................................................................ ....................................................................................................... ....................... 34
3.4.1
Resolución............................................................................................................. 34
3.4.2
Prisma o Grating..................................................................................... Grating.................................................................................................... ............... 35
3.5
Detectores.................................................................................................................. 35
3.5.1
El Fotomultiplicador Fotomultiplicador ........................................................................................ ............................................................................................... ....... 35
SECCIÓN 4: TÉCNICAS COMPLEMENTARIAS PARA LA INTRODUCCION DE LA MUESTRA............................................................................ MUESTRA ................................................................................................................................... ....................................................... 37 4.1
La Navecilla (o dispositivo) de muestreo .................................................................. 38
4.2
La Copa Delves............................................................................. Delves.......................................................................................................... ............................. 38
4.3
Trampa de Átomos en Tubo Ranurado (STAT)........................................................ 38
4.4
Técnica de Micromuestreo de Alícuota ..................................................................... 39
4.5
Técnica de generación de hidruros............................................................................ 40
4.6
Técnica del vapor frío de Mercurio ............................................................................ 41
4.7
Sistema de amalgama de mercurio ........................................................................... 41
4.8
Análisis por Inyección de Flujo .......................................................................... .................................................................................. ........ 42
4.9
Técnica del Atrapamiento de Átomos ........................................................................ 43
PARTE II INSTRUMENTACIÓN EN ABSORCIÓN ATÓMICA SECCIÓN 5: SISTEMAS ÓPTICOS........................................................................................... 44 5.1
Instrumentos de Haz Simple...................................................................................... 44
Figura 8: Instrumentos de Haz Simple ............................................................................... 44 Figura 9. Monocromador Littrow ........................................................................................ 45 Figura 10. Monocromador Ebert ......................................................................................... 46 Figura 11. Configuración Ebert .......................................................................................... 47 5.2
Instrumentos de Doble Haz ....................................................................................... 48
Figura 13. Sistema Óptico Básico de Doble Haz ............................................................... 49 Figura 14. Instrumento de Doble Haz con corrección de fondo........................................ 50 5.2.1
Óptica Stockdale........................................................................................................ 51
Figura 15. Configuración Stockdale ................................................................................... 52
SECCIÓN 6: CORRECCIÓN DE FONDO O BACKGROUND................................................... 53 Figura 16. Espectro de absorción de la muestra y del blanco ........................................... 53 Figura 17 (a). Espectro de Absorción de la muestra y del blanco en presencia de interferencias de fondo. ...................................................................................................... 54 Figura 17 (b). Comparación de la absorbancia de la muestra y de la absorbancia medida en presencia de las interferencias de fondo. ...................................................................... 54 6.1
Causas de las Interferencias de Fondo ..................................................................... 54
6.1.1
Absorción Molecular.............................................................................................. 54
6.1.2
Absorción Atómica................................................................................................. 55
6.1.3
Dispersión de la Luz .............................................................................................. 55
SECCION 7: MÉTODOS DE CORRECCIÓN DE FONDO O BACKGROUND ......................... 56
7.1
Método del Blanco ..................................................................................................... 56
7.2
Método de la Línea Dual............................................................................................ 56
7.3
Método de la Lámpara Continua................................................................................ 57
Figura 18. Medición de la absorbancia usando una fuente de banda ancha (no hay ninguna señal de background presente) ............................................................................ 58 Figura 19. Absorción de Luz proveniente de una Lámpara de Cátodo Hueco................. 58 Figura 20. Absorción de Luz proveniente de una lámpara de Deuterio............................ 59 7.4
El Método del efecto Zeeman (10)............................................................................. 59
Figura 21. División Zeeman para el caso “normal” ........................................................... 60 Figura 22. División Zeeman en el caso “anómalo” ............................................................ 61 7.5
Método Smith-Hieftje (11) .......................................................................................... 62
Figura 23. Corrección de fondo Smith-Hieftje ................................................................... 63
SECCIÓN 8: ATOMIZADOR DE LLAMA ................................................................................... 65 8.1
Nebulización............................................................................................................... 65
Figura 24.
Nebulizador ................................................................................................... 65
8.2
Nebulización Ultrasónica ........................................................................................... 67
8.3
Nebulización por “Termospray”.................................................................................. 67
SECCIÓN 9: QUEMADORES.................................................................................................... 68 Figura 25. Quemador ......................................................................................................... 69
SECCIÓN 10: ATOMIZACIÓN ELECTROTÉRMICA................................................................. 71 10.1
Historia del Horno ...................................................................................................... 71
Figura 26.
Horno L’vov .................................................................................................... 71
Figura 27 Cubeta Massman ............................................................................................. 73 Figura 28. Atomizador de barra de carbono tal como el usado por West ......................... 74 10.2
Componentes del horno............................................................................................. 75
Figura.29. Cabezal el horno ............................................................................................. 76
10.2.1 Figura 30.
Ambiente del horno de grafito totalmente cerrado............................................ 77 Cabezal de horno de grafito.......................................................................... 77
10.2.2
Diseño Final del Horno Cerrado........................................................................ 77
10.2.3
Control de temperatura ..................................................................................... 78
Figura 31. El efecto de la temperatura final sobre el tiempo de calentamiento de una cubeta usando un control de retroalimentación de voltaje. ................................................ 79
Figura 32. El efecto de la temperatura final sobre el aumento del tiempo de una cubeta que usa un control de temperatura por retroalimentación.................................................. 80 Figura 33. Sensibilidad del pPomo bajo condiciones de control de voltaje y temperatura. ............................................................................................................................................ 81 Figura 34. Esquema del horno de grafito. ......................................................................... 82
10.2.4
Elección de los materiales de la cubeta............................................................ 82
Fig. 35. Estructura pirolítica de un sustrato de grafito....................................................... 83 Figura 36. Sección Transversal de un T. P. C. ................................................................. 85
10.2.5
Métodos para eliminar interferencias................................................................ 86
Fig. 37. Perfiles de temperatura-tempo para la atomización en plataforma. ................... 88 Fig. 38. Procedimiento para la atomización en sonda ..................................................... 90
SECCIÓN 11: AUTOMUESTREADOR DEL HORNO............................................................... 90 SECCIÓN 12: SISTEMA ELECTRÓNICO ................................................................................ 92 SECCIÓN 13: SEÑAL Y PROCESAMIENTO DE DATOS ....................................................... 93
PARTE III METODOLOGÍA SECCIÓN 14: AAS POR LLAMA .............................................................................................. 96 14.1
Optimización de los Parámetros de Operación ......................................................... 96
14.2
Sensibilidad................................................................................................................ 96
14.3
Límites de Detección ................................................................................................. 96
14.4
Precisión y Exactitud.................................................................................................. 97
14.4.1
Factores que tienen efecto sobre la señal de salida......................................... 97
14.4.2
Tipos de Error.................................................................................................... 98
14.4.3
Precisión............................................................................................................ 99
SECCIÓN 15: CALIBRACIÓN.................................................................................................. 101 15.2
Procedimiento de Calibración - Método Directo ...................................................... 102
Fig. 39.
Gráfica de Calibración (Calibración Directa) ................................................... 103
Figura 40. Ajuste de curva segmentada ........................................................................... 105 15.3
Estándares con matriz igualada............................................................................... 105
15.4
Técnica de Adición de Estándares .......................................................................... 105
Figura 41.
Gráfica de calibración-Adiciones de Estándar ............................................. 107
15.5
Linealidad................................................................................................................. 108
15.6
No linealidad ............................................................................................................ 109
Fig. 42.
Calibración curvándose hacia arriba para el Europio ................................... 109
SECCIÓN 16: INTERFERENCIAS ......................................................................................... 111 16.1
Interferencia Espectral ............................................................................................. 111
16.2
Interferencias Físicas............................................................................................... 112
16.3
Interferencia Química............................................................................................... 112
16.3.1 16.4
Formación de Compuestos Estables .............................................................. 113
Ionización ................................................................................................................. 114
16.5 Absorción No Específica.......................................................................................... 115
SECCIÓN 17: INTERFERENCIAS DEL HORNO ................................................................... 116 17.1
Dispersión de la Muestra ......................................................................................... 116
17.2
Interferencias en Muestras Sólidas ......................................................................... 116
17.3
Interferencias de Matriz ........................................................................................... 116
17.3.1
Formación de Compuestos Estables .............................................................. 116
17.3.2
Formación de Compuestos Volátiles .............................................................. 117
17.3.3
Interferencias en la Fase Vapor...................................................................... 117
SECCIÓN 18: ASEGURAMIENTO DE LA CALIDAD (QA) Y CONTROL DE CALIDAD ...... 119 18.1
Planteamiento del Aeguramiento de la Calidad....................................................... 119
18.2
Control de Calidad ................................................................................................... 120
SECCIÓN 19: LA MUESTRA .................................................................................................. 122 19.1
Recolección de la Muestra....................................................................................... 122
19.2 Almacenamiento de la Muestra ............................................................................... 122 19.3
Preparación de la Muestra....................................................................................... 123
19.3.1
Calcinado en Vía Húmeda o Digestión Ácida ................................................. 123
19.3.2
Técnica de la Fusión ....................................................................................... 123
19.3.3
Disolución por presión..................................................................................... 124
19.3.4
Calcinado en Vía Seca.................................................................................... 124
19.3.5
Digestión en Horno de Microondas................................................................. 124
19.4
Técnicas de Preconcentración y Separación .......................................................... 125
19.4.1
Evaporación .................................................................................................... 125
19.4.2
Extracción líquido-líquido ................................................................................ 125
19.4.3
Separación por Intercambio Iónico ................................................................. 125
19.4.4
Co Precipitación .............................................................................................. 126
SECCIÓN 20: TÉCNICA DE LA FUSIÓN ............................................................................... 127 20.1
Uso de los Crisoles de Platino................................................................................. 127
20.1.1
Ignición de Precipitados .................................................................................. 128
20.1.2
Fundentes para las fusiones........................................................................... 128
20.1.4
Sustancias que atacan el platino. ................................................................... 129
20.1.5
Limpieza del Platino ........................................................................................ 130
20.2
Crisoles hechos de otros metales............................................................................ 131
20.2.1
Crisol de Plata................................................................................................. 131
20.2.2
Crisol de Oro ................................................................................................... 131
20.2.3
Crisol de Níquel............................................................................................... 131
20.2.4
Crisol de Hierro ............................................................................................... 131
20.2.5
Crisol de Grafito .............................................................................................. 131
SECCIÓN 21: ÁCIDOS............................................................................................................ 132 21.1
Ácidos Simples......................................................................................................... 132
21.1.1
Ácido Clorhídrico............................................................................................. 132
21.1.2
Ácido Fluorhídrico ........................................................................................... 132
21.1.3
Ácido Nítrico.................................................................................................... 133
21.1.4
Ácido Perclórico .............................................................................................. 133
21.1.5
Ácido Fosfórico................................................................................................ 134
21.1.6
Ácido Sulfúrico ................................................................................................ 134
21.1.7
Ácido Tetrafluorobórico................................................................................... 135
21.2 Ácidos Mixtos ........................................................................................................... 135
SECCIÓN 22: TÉCNICAS DE DIGESTIÓN CON MICROONDAS ......................................... 136 23.1
Acero........................................................................................................................ 138
23.2
Escorias Refractarias de Cobre ............................................................................... 138
23.3
Super Aleaciones ..................................................................................................... 139
23.4
Soldadura de Pb y Sn .............................................................................................. 139
23.5
Desechos de TiO2 .................................................................................................... 139
SECCIÓN 24: DIGESTIÓN DE MUESTRAS GEOLÓGICAS .................................................. 140 24.1
Roca Fosfórica ......................................................................................................... 140
24.2
Minerales de Estaño ................................................................................................ 140
24.3
Minerales de Sulfuro ................................................................................................ 140
24.4
Minerales de Oro...................................................................................................... 140
SECCIÓN 25: ANÁLISIS DE AGUA ........................................................................................ 142 25.1
Preservación de las muestras de agua ................................................................... 142
25.2
Tratamiento de Separación de la Muestra............................................................... 143
25.3
Preparación de Muestras......................................................................................... 144
25.4
Metales Disueltos por Llama Aire/Acetileno ............................................................ 144
25.5
Extracción Líquido/Líquido antes de la AAS de Llama............................................ 145
25.6
Determinación Directa con Óxido Nitroso/Acetileno................................................ 145
25.7
Extracción Previa a la Determinación en Óxido Nitroso/Acetileno.......................... 145
25.8 Determinación de Mercurio en Agua de Mar, Salmueras y Afluentes con alto contenido de cloruros............................................................................................................ 146 25.9
Método de Atomización Electrotérmica ................................................................... 146
25.10 Metales por Generación de Hidruros de Flujo Continuo ......................................... 146
SECCIÓN 26: SUELOS Y LODOS........................................................................................... 148 26.1
Método de Digestión para Suelos............................................................................ 148
26.2
Lodos ....................................................................................................................... 148
26.3
Calcinación de Lodos............................................................................................... 148
PARTE IV RECETARIO SECCIÓN 27: RECETARIO..................................................................................................... 150 27.1
Introducción.............................................................................................................. 151
27.2
Sensibilidades .......................................................................................................... 151
27.3
Interferencias ......................................................................................................... 1515
PARTE I
PRINCIPIOS DE ESPECTROMETRIA POR AAS
SECCIÓN 1: INTRODUCCIÓN En cualquier texto o manual acerca de la Espectrometría de Absorción Atómica (AAS por sus siglas en inglés) se acostumbra dar una visión general de la materia, una introducción que contenga la historia, teoría y fundamentos del AAS, la instrumentación que se requiere y una sección metodológica. Éste texto no es la excepción y está dispuesto en ese mismo orden. Para que sea de mayor ayuda práctica, se proporciona una sección metodológica más grande y está ordenada según el tipo de matriz para permitir al analista preparar el tipo de muestra para que esté lista para el análisis.
1.1 Fundamento Histórico Se piensa que la técnica de AAS tiene su origen en 1666 con Isaac Newton quién usó un prisma para separar los colores del espectro solar. En 1802 Wollaston registró su observación de que el espectro de la luz solar que en ese tiempo se pensaba que era continuo, en realidad estaba interrumpido por líneas oscuras. Más tarde en 1814 Fraunhofer encontró una serie de líneas en la región visible del espectro solar y marcó las principales líneas alfabéticamente sin identificar su origen químico. En 1832 Brewster, a quien se le asocia con la invención del caleidoscopio, investigó la absorción de la luz por diversos vapores del espectro solar y sugirió que las líneas de Fraunhofer se debían a ciertos vapores en la atmósfera del Sol. En 1860 Kirchoff dedujo a partir de los resultados de Fraunhofer la presencia de ciertos elementos en la atmósfera solar y junto con Bunsen en 1861 sentaron los fundamentos de un nuevo método de análisis químico usando llamas. Fraunhofer y Kirchhoff habían estado observando respectivamente la absorción atómica y la emisión atómica. Foucault demostró lo inverso de las líneas espectrales, por ejemplo cuando la fuente espectral está rodeada de vapores atómicos proveniente de la sustancia que emite el espectro y los vapores atómicos absorben la radiación que ellos mismos están emitiendo. En 1902 Wood ilustró la relación emisión-absorción al calentar Sodio en un bulbo de vidrio al que se le había hecho un vacío parcial e irradió este bulbo con una luz proveniente de una llama de Sodio. Al calentar más el bulbo el demostró un aumento en el efecto de absorción. Wood llamó a las líneas emitidas y absorbidas por los átomos de Sodio: líneas de resonancia y llevó a cabo experimentos para demostrar la posibilidad de usar el efecto de resonancia para detectar trazas de Mercurio. Este pudo haber sido el primer análisis hecho por espectroscopia de absorción atómica. Word parece no haber sido capaz de impresionar a los químicos ni a los espectroscopistas quien estaban más interesados en la espectroscopia de emisión y pocos siguieron en el campo de la absorción atómica y sus aplicaciones. Los avances hechos por Kirchhoff, Bunsen, Foucault y Word interesaron a los astrónomos quienes usaban absorción atómica para estudiar la composición de la atmósfera solar y de las atmósferas estelares.
En 1924 Angerer y Joos estudiaron el espectro de absorción atómica de los metales del grupo del Hierro y Frayne y Smith en 1926 estudiaron los espectros del Indio, Galio, Aluminio y Talio. En 1927 Hughes y Thomas estudiaron la absorción y los efectos de resonancia del Mercurio. Lunegardh en 1928 demostró la espectroscopia de emisión atómica (AES por sus siglas en inglés) en una llama de aire-acetileno usando un nebulizador neumático. En 1930 Mueller y Pringsheim publicaron un método de absorción atómica para medir el contenido de Mercurio del basándose en el proyecto original de Word de 1913 a 1919. Las primeras aplicaciones reales de la absorción atómica al análisis químico fueron hechas por Walsh en 1955, y por Alkemade en el mismo año. Walsh hizo significativas contribuciones al desarrollo de la AAS como herramienta analítica. Él usó las lámparas de cátodo hueco como fuente lineal, reduciendo en gran medida la resolución que se requería para un análisis satisfactorio. Como se disponía ya de fotomutiplicadores, se eliminaron los problemas asociados con la medición de la absorción que en ese entonces se hacía con placas fotográficas. Su introducción de la modulación en el sistema, permitía al detector distinguir entre la absorción y la emisión hecha por átomos a la misma longitud de onda. Él también utilizó la llama para la atomización.
1.2 ¿Qué es la Espectrometría de Absorción atómica (AAS)? La Absorción atómica es un proceso que involucra la absorción de luz que hacen átomos libres de un elemento a una longitud de onda especifica de dicho elemento, o para ponerlo mas simple, la AAS es un medio por el cual se puede medir la concentración de metales. En espectrometría Atómica, emisión, absorción y fluorescencia, se proporciona energía a una población de átomos por varias formas de energía: térmica, electromagnética, química y eléctrica y son convertidas a energía luminosa mediante varios procesos atómicos y electrónicos antes que puedan ser medidos. La Espectrometría de Absorción Atómica es útil no solo para la identificación sino también para la determinación cuantitativa de muchos elementos presentes en las muestras. Esta técnica es específica en el sentido de que pueden identificarse fácilmente los elementos individuales en cada tipo de muestra, y es sensible es decir, permite que cantidades pequeñas del elemento sean detectadas alrededor y por debajo de 1ug.g-1 (1ppm) es decir una parte por millón usando procedimientos directos por llama. Pueden determinarse niveles menores a 0.001ppm usando procedimientos más sofisticados que explicaremos más adelante.
Figura 1 Diagrama de niveles de energía Cuando se quema en la llama o se calienta en un tubo una solución, los átomos individuales de la muestra son liberados para formar una “nube” (de átomos) dentro de la llama o del tubo. Cada átomo consiste de un núcleo cargado positivamente y rodeado por un número de electrones de rápido movimiento alrededor del núcleo. Para cada electrón en cada átomo existe una serie discreta de niveles de energía que pueden ser ocupadas por un electrón. La distancia de los niveles de energía es diferente para cada electrón en el átomo, pero para átomos iguales sus correspondientes electrones tendrán distancias (o espaciamientos) idénticas. A los niveles de energía por lo general se les llama E0 (el estado basal o fundamental), pasando por E1, E2, etc. hasta Einf.
Para un átomo no excitado, cada uno de sus electrones está en el estado fundamental. Al excitar al átomo, uno o mas electrones pueden ser llevados hasta el primer nivele de energía o a niveles mas altos debido a la absorción de energía hecha por el átomo. Dicha energía puede provenir de fotones o de colisiones debidas al calor. Aquellos electrones que estén más alejados del núcleo requerirán menos energía para ir de su estado fundamental E0 hasta el primer de nivel de energía E 1. La energía E (ver ecuación) corresponde al salto de energía entre el estado fundamental y el primer nivel de energía. E = E 1 – E 0
La energía que requerida para dicha transición o salto está suministrada por un fotón o luz que tenga una energía que está dada por E = hν
donde h = constante de Planck y v es la frecuencia Esto corresponde a una longitud de onda ( λ) de:
λ =
hc / E
Donde c es la velocidad de la luz en el vacío. Sin embargo, para todos los elementos no conductores (aislantes) y para la mayoría de electrones de los átomos de elementos conductores, el salto de energía E1 – E0 es muy grande y por eso se requeriría un fotón muy energético (quizás un fotón que esté en la región UV o rayos X) para excitar ese átomo. Los elementos metálicos y los metaloides llevan los llamados electrones de valencia que están unidos al núcleo de manera relativamente débil o “floja” y que pueden ser excitados por fotones que tienen longitud de onda en el rango óptico de 190 a 900nm. Para cada átomo de un metal o metaloide el salto de energía E 1 – E0 para un electrón de valencia particular es casi idéntico. Además ese salto de energía no se encuentra en ningún otro elemento. Si se irradia luz que esté en un rango suficientemente estrecho de longitudes de onda y cuyo punto central de dicho rango sea hc / (E 1 – E 0 )
hacia una nube de diversos átomos, sólo aquellos átomos de un elemento particular absorberán fotones. De aquí la selectividad de la técnica de absorción atómica. Los átomos en la nube se mueven a alta velocidad y colisionan unos con otros y absorción típica es de aproximadamente 0.001nm. Para propósitos del instrumento de absorción atómica normalmente se usa una fuente de emisión con una línea de emisión de la misma frecuencia y un ancho de aprox. 0.001nm. Dicho requerimiento lo satisface un espectro de emisión del elemento de interés generado por una lámpara de cátodo hueco (HCL por sus siglas en inglés) o una lámpara de descarga sin electrodo (EDL por sus siglas en inglés). Otro requerimiento para obtener una señal alta de absorción es que la mayoría de átomos deberían estar en el estado fundamental y un gran número de electrones deberían ser capaces de ser excitados hasta el primer nivel cuando absorban un fotón que tenga la frecuencia correcta. El número de átomos en el estado fundamental y en el primer estado excitado está dado por el postulado general de la ley de Maxwell-Boltzman que discutiremos más adelante.
SECCIÓN 2: TEORÍA DE LA ESPECTROMETRÍA DE ABSORCIÓN ATÓMICA En el siguiente texto consideraremos aquella sección del espectro electromagnético que cubre las longitudes de onda que va desde 190-900nm, es decir las regiones ultravioleta y visible.
2.1
Absorción La absorción de energía debida a los átomos sigue leyes físicas muy bien conocidas las cuales nos dan las bases para la química analítica cuantitativa. La energía radiante o los fotones que absorben los átomos por lo general están bajo la forma de líneas muy estrechas de longitud de onda característica que se originan del espectro visible o del ultravioleta. Durante el proceso de absorción los electrones de valencia más externos de los átomos son promovidos hacia un orbital más alto de energía y el átomo es excitado electrónicamente. Existe una relación y un equilibrio entre las poblaciones de los átomos excitados y los no excitados que involucran fotones, y entre la espectroscopia de absorción atómica y la de emisión atómica. Un fotón se comporta de manera similar a un campo magnético alternante e interactúa con los electrones cargados negativamente en el átomo. Bajo ciertas condiciones un fotón puede ser absorbido por un átomo. Los niveles de energía en un átomo están cuantizados, es decir, tienen ciertas energías bien definidas. Como consecuencia de esto, la energía del fotón (h ν ) debe ser exactamente igual al salto de energía que hay entre un nivel de energía ocupado E 0 (el estado fundamental o basal) y un nivel de energía desocupado E 1 que es el primer estado excitado tal como se representa a continuación:
Figura 2 Proceso de absorción
La línea ondeada representa a un fotón que colisiona y que es absorbido por un átomo en estado fundamental E0. La línea vertical representa la excitación simultánea del átomo desde el estado fundamental E 0 hasta el estado excitado E1. Este proceso envuelve a un electrón que es promovido desde un orbital atómico ocupado hasta un orbital de más energía que normalmente está desocupado. El proceso de absorción se puede describir con un diagrama de Orbitales de Bohr simplificado tal como se muestra para un típico átomo de Litio.
Figura 3 Representación de orbitales de Bohr de la absorción de luz por un átomo de Litio
Esta es una representación simple de la absorción ya que pueden inducirse transiciones entre orbitales dentro de la misma capa electrónica, así como también transiciones entre diferentes capas electrónicas. Un ejemplo del primer caso es la promoción de un electrón que está en el orbital 4s en un átomo de Potasio hasta el orbital 4p debido a la incidencia de una luz de 766.5nm de longitud de onda.
2.2
Emisión El proceso de la emisión es lo inverso de la absorción. El átomo que está en un nivel de energía excitado puede regresar al estado basal o fundamental mediante la emisión de energía bajo la forma de un fotón, tal como se representa debajo:
Figura 4 Proceso de emisión
El fotón tiene una energía h ν que es igual a la del salto de energía (E1 – E0). La emisión de un fotón cuando el electrón se mueve hacia el estado no excitado (fundamental) desde el estado excitado, forma la base de la espectroscopía de emisión. En esta técnica se mide, a una longitud de onda específica, la luz que se genera en el proceso de emisión. En cualquier átomo existen numerosos niveles permitidos de energía y numerosas transiciones permitidas entre los diferentes niveles de energía excitados y el estado fundamental. La existencia de numerosos estados excitados superiores significa que el equilibrio entre los átomos en estado fundamental y los átomos excitados no es tan simple como se observa en el diagrama anterior. Por claridad y a fin de ilustrar el principio de emisión, diremos que no se consideran los estados de energía más altos y que sólo se discutirá el estado basal y el primer estado excitado del átomo.
2.3
Formación de los Átomos libres Para generar átomos libres el atomizador debe suministrar energía a fin de romper los enlaces químicos entre los átomos de una molécula. Un atomizador tal como una llama, un atomizador de carbono o un plasma debe proporcionar energía suficiente para romper dichos enlaces para dejar libre los átomos. Un plasma se define como “cualquier volumen luminoso de un gas que tiene una fracción de sus átomos o moléculas ionizadas”. La energía que se requiere para romper dichos enlaces influye en el número de átomos libres que se produzcan a partir de la muestra. La eficiencia con que se rompan los enlaces y se generen átomos libres dependerá del tipo de enlace que necesitan ser rotos cuando los átomos son atomizados. Por ejemplo el requerimiento de energía para el Hierro podría ser diferente si el Hierro está ionizado ya sea como una solución de cloruro de Hierro o complejado como una solución de EDTA – Hierro. Aún si la concentración de Hierro fuese la misma se obtendría una señal analítica diferente para cada una de estas soluciones. Este fenómeno proporciona las bases para el entendimiento de la interferencia química el cual es un problema en absorción atómica y en la espectroscopía de emisión atómica. Esta observación explica por qué los atomizadores fríos no son tan eficientes como los atomizadores calientes para muchos elementos y a los que se les dará una amplia cobertura más adelante en la sección de interferencias.
2.3.1 Producció n de Átomos lib res en la llama La capacidad para producir átomos no combinados y no ionizados en un vapor atómico determina el éxito de un procedimiento analítico de absorción o de fluorescencia atómica. En una llama a una temperatura de 2000º-3000º K las finas gotitas de una solución contienen moléculas en la solución previamente aspirada. El solvente se evapora dejando como residuo pequeñas partículas sólidas. Estas partículas se funden y vaporizan y el vapor consiste de mezclas de compuestos que se descomponen en átomos libres que, aunque transitorios bajos dichas condiciones, permite observar el
espectro atómico. Los átomos metálicos individuales que han sido atomizados absorben energía por medio de las colisiones y llegan a excitarse o ionizarse tal como se muestra en el ejemplo simplificado de abajo para el caso del cloruro de Sodio:
atomización
NaCl
Na + Cl
excitación
Na + hv = Na*
ionización
Na
Na+ + e-
Como puede verse, la llama atomiza la muestra tal como se demuestra en la primera reacción. En la segunda reacción el átomo es excitado por la energía proveniente de la fuente de luz la cual libera a los átomos y si se aplica demasiado calor ocurre la ionización que también libera o saca a los átomos. Galan y Samaey (1) señalaron que el grado de atomización varía de un elementoa otro en un plasma determinado y era este factor más que cualquier otro lo que influye en la sensibilidad analítica. Como la disociación y la ionización son procesos similares es posible usar la ecuación de Saha (2) para calcular los grados de ionización de los átomos en iones y electrones para varios elementos a diferentes temperaturas y presiones parciales. La Ecuación de Saha:
log K
=−
U
4.573T
+
5 2
+
log T
− 6.49 + log
gk x g
e
gk
Donde: K = el equilibrio para el proceso de ionización arriba mencionado Los términos g son pesos estadísticos de las especies mostradas como sufijos. U es el potencial de ionización en cal.mol -1 T es la temperatura en Kelvin
2.3.2 Producción de Átomos libres en un Atomizador Electrotérmic o
Un analizador electrotérmico normalmente es un pequeño horno cilíndrico, un tubo, cubeta o celda hecha de grafito que puede ser calentado hasta altas temperaturas por calentamiento con resistencia luego de hacer pasar una alta corriente a través de él. A fin de atomizar las muestras la celda debe ser capaz de alcanzar los 2000ºC para la mayoría de elementos y hasta 3000ºC para los elementos más refractarios. La capacidad que tiene este sistema de retener una proporción sustancial del analito en la zona de observación por un corto período de tiempo aumenta en gran medida la sensibilidad. L’vov (3) sugirió inicialmente que el requerimiento básico para alcanzar tal sensibilidad era que la velocidad de formación de átomos libres debe ser igual o mayor que la velocidad con que estos átomos abandonan o salen fuera de la ruta óptica. Para satisfacer este criterio parecería que el horno del tipo tubular o cilíndrico del atomizador cumple esta condición mejor que los atomizadores de filamento abierto. El mecanismo por el cual se producen los átomos libres en la celda depende de una serie de factores tales como: 1. los compuestos que están presentes en la celda a la temperatura de atomización de los elementos que están siendo medidos. 2. el material del que está construida la celda
3. la atmósfera en la celda 4. la velocidad de calentamiento
5. la temperatura final alcanzada en la celda 6. el suministro de átomos Los átomos son sacados fuera de la zona de observación mediante los sgtes procesos: 1.
difusión
2.
expansión del gas
3.
convección
4.
recombinación de los átomos
Las funciones combinadas de suministro y salida (de átomos) producen una curva general de respuesta. Existen diversas teorías que han sido usadas para describir el mecanismo de liberación de los átomos de las paredes del horno tubular de grafito. Fuller (4) contribuyó en gran medida y en 1977 revisó completamente el tema de la atomización electrotérmica. Parecería que e punto que en punto de atomización en el tubo, el proceso sería más simple que en una llama. Se han examinado termodinámicamente diversas reacciones posibles.
Podría ocurrir la evaporación de óxidos metálicos (por ejemplo Sb 2O3) antes que se alcance la temperatura de atomización si sus óxidos tuvieran altas presiones de vapor. El problema se agudiza más si están presentes cloruros metálicos ya que éstos son más volátiles y se pierden a temperaturas más bajas que la que se requiere para la atomización. Si ocurre la disociación térmica del óxido metálico se podría calcular el grado de disociación para varias temperaturas usando datos termodinámicos. El grado de disociación está controlado por la cantidad de oxígeno liberado y por el carbono presente. La reducción de los óxidos metálicos del horno por parte del carbono del horno se da de acuerdo a la siguiente ecuación:
MO(s/l) + C(s)
M(g) + CO(g)
que es el mecanismo que se cree que es el más relevante para la mayoría de elementos. También puede ocurrir la siguiente reacción:
MO + CO
M + CO2
Es posible que ocurra la formación de carburos entre algunos elementos y el horno de grafito. Para elementos tales como aluminio, Calcio y Cromo la formación del carburo sucede a una menor temperatura que la que se requiere para producir átomos gaseosos:
MO + C
MC + CO
Se han hecho cálculos termodinámicos los cuales predicen por ejemplo que elementos tales como el Plomo y el Cadmio (que son fácilmente atomizados sobre el Carbono) son aún más fácilmente atomizados sobre el Tantalio. Aquellos elementos que son difíciles de atomizar sobre el Carbono son aún más difíciles de atomizar sobre tubos de Tantalio. A fin de demostrar que la atomización es un proceso cinético, describiremos dos tipos de tratamientos teóricos. L’vov, estudió la atomización usando condiciones de aumento de temperatura y su teoría es más adecuada para un atomizador abierto y cuando la etapa de pirólisis tiene un programa ramp. Fuller en cambio observó la atomización usando condiciones de atomización isotérmica, su teoría se reduce a una función exponencial simple y es aplicable para el atomizador moderno que está diseñado para que se caliente en un corto tiempo. Esta teoría también puede ser usada para explicar la etapa de la pirólisis a temperatura de preatomización isotérmica donde los compuestos interferentes son eliminados. Las teorías cinéticas de atomización parecen proporcionar información más útil que las teorías termodinámicas. Así, puede compararse la relación N(max) respecto a N(integrado), donde N es el número de átomos que se miden en un punto en el tiempo, para hallar las condiciones donde las mediciones de las alturas de pico o bien de las áreas de pico integradas den los mejores resultados. Se ha demostrado que la integración da mejores resultados para bajas temperaturas y bajas velocidades de atomización. Usando la teoría cinética debería ser posible predecir si un cierto elemento puede o no ser determinado en una matriz particular y seleccionar las
temperaturas óptimas de operación. Fuller usó éste método luego de haber hecho ciertas simplificaciones y suposiciones usando una cinética de primer orden y cinéticas similares tanto para altas concentraciones como para bajas. El enfoque cinético ha sido usado para la etapa de pirólisis para determinar los efectos de las interferencias que son diferentes a aquellos que se encuentran en una llama.
2.4
La distr ibució n de Boltzmann El electrón en un átomo excitado involucrado en las transiciones a un nivel de energía mayor es aquel electrón con la menor energía. En términos químicos éste es un electrón de valencia. Un electrón puede ser promovido desde un estado basal hasta un mayor estado excitado por el calentamiento de una población de átomos. Si una población entera de átomos es calentada, el número real de electrones en un orbital particular puede ser calculado por la ecuación de Maxwell-Boltzmann. Esa ecuación establece que si existen N 1 átomos en un estado excitado y N 0 átomos en el estado basal, entonces.
N 1 N 0
=
g1 g0
e
− Δ E / KT
donde: E = diferencia de energía entre el estado basal y el estado excitado. T = temperatura de la población de átomos en °K K = constante de Boltzmann g1 = pesos estadísticos en los estados energéticos 0 y 1. g0 Esta ley asume que la población de átomos ha alcanzado una temperatura constante y uniforme. Ésta no sólo se aplica a la excitación de electrones sino también a la energía vibracional, energía rotacional, etc. Es extremadamente importante en el hecho de que nos permite calcular cuantos átomos en el sistema serán excitados por medio de la llama, el horno de grafito, una descarga eléctrica o plasma. La teoría de la distribución de Boltzmann asume que existen niveles de energía simple. Cuando estos átomos se colocan en un campo magnético fuerte, dichos niveles de energía podrían dividirse en un número de subniveles (2Ji + l)N 1, donde N1 es la población de dichos niveles de energía simple. A estos se les conoce como el efecto Zeeman que explicaremos más completamente en la sección de la corrección de fondo.
2.5
La ley de Lambert-Beer La absorción que se lleva a cabo en un sistema de absorción atómica sigue la ley de Beer que es
I 1 = I 0 e-a,b,c
A = a b c O donde
T
Por lo tanto:
I 1 I 0
( T = transmitancia)
A = absorbancia = -lnT
donde: I1 = intensidad de la luz que sale de la solución después de la absorción I0 = intensidad de la luz que incide en una solución antes de la absorción a = coeficiente de absorción b = paso de la luz a través de la muestra c = concentración de la solución La ley de Lambert-Beer es la ley fundamental que relaciona la absorción en una solución con respecto a la concentración de los componentes individuales que hay en una solución. Aunque los principios básicos de la ley de Lambert-Beer se aplican para AAS no es posible usar esta relación de la misma manera. Esto se debe a que las soluciones (concentraciones moleculares) son homogéneas a través de toda la ruta de absorción de la muestra y los átomos libres en la llama no son constantes a lo largo de todo el paso de la luz. Por eso la ley de Lambert-Beer no puede ser usada directamente para determinar la concentración de un átomo generado a partir de una solución. Es necesario en cambio usar la siguiente ecuación: Absorción total = constante x Nf
Donde la absorción total es igual a N veces (por una constante) el número de átomos libres que hay en el paso de luz, lo cual es independiente a la temperatura y a la energía de transición y correlaciona la cantidad de absorción con el número de átomos en el paso de luz. Los átomos libres en el paso de luz están en equilibrio dinámico con la solución de la muestra y con los productos de combustión en la llama. El número de átomos libres es proporcional a la concentración del elemento que está en solución. Puede construirse una gráfica o curva de calibración la cual correlaciona la concentración con la absorción. El número de átomos excitados varía con el cambio de temperatura aunque el número de átomos excitados es pequeño a comparación del número de átomos libres que hay en esa población. Puede demostrarse que la masa de átomos se mantiene en el estado basal a temperaturas que normalmente se encuentran en los atomizadores de llama. Los átomos no excitados no contribuyen a la señal de emisión, pero son capaces de absorber energía y de contribuir a la señal de absorción. El estado basal es el más poblado para una población de átomos dada y está dentro del error experimental independiente de la temperatura. La siguiente ecuación muestra que no hay términos que relacionen la longitud de onda de la absorción con la
absorción total. Esto indica que la absorción total es independiente de las longitudes de onda, lo cual no puede decirse de la emisión:
∫
∞
0
Kvdv
=
e2
π
mc
N 0 f
donde : K = coeficiente de absorción en la frecuencia v e = carga de un electrón m = masa de un electrón N0 = número de átomos que absorben a nivel de energía 0 (estado basal) c = velocidad de la luz f = fuerza del oscilador de la línea de absorción
SECCIÓN 3: SISTEMA BÁSICO DE AB SORCIÓN ATÓMICA A fin de realizar mediciones de espectrometría de absorción atómica es necesario producir una población de átomos en estado basal tan eficientemente como sea posible y pasar una radiación de resonancia del elemento a ser medido a través de dicha población de átomos. En un sistema ideal el final de la medición de la luz del sistema debería solamente medirse a la longitud de onda que se absorbe, ya que cualquier otra radiación disminuye la sensibilidad de la medición. El esquema básico del espectrómetro de absorción atómica de llama se muestra a continuación.
Figura 5: Espectrómetro de llama básico.
La luz de una fuente en línea de una longitud de onda característica para el elemento que se determina pasa a través de la llama dentro de la cual se ha dispersado una fina niebla de la solución de la muestra. La región del espectro a ser medido es seleccionado por un monocromador. La línea espectral aislada incide sobre el fotomultiplicador, el detector y la salida es amplificada y enviada hacia un medidor que nos da lecturas, análogo o digital, hacia un registrador de tablas o a través de un sistema de procesamiento de datos por computador, una impresora o una unidad digital de display. La intensidad de la línea de resonancia se mide dos veces, una vez con la muestra en la llama y otra vez sin ella. La relación entre las dos lecturas es la medida de la cantidad de absorción, de aquí se obtiene la cantidad del elemento en la muestra. En un sistema que no usa una llama el atomizador es reemplazado con un horno de grafito electrotérmico u otra celda para producir los átomos. Para evitar medir la emisión a partir de los átomos excitados a la misma longitud de onda, la lámpara se modula a 50 Hz o a más, y el amplificador establecido a la misma frecuencia. Esto significa que la señal de radiación continua del atomizador no es medida. Los mismos componentes o similares se usan para medir la emisión por llama o fluorescencia atómica. Para realizar mediciones de emisión la fuente de luz o lámpara se saca y la radiación del atomizador es modulado a la frecuencia del amplificador. En la fluorescencia la energía que proviene de la fuente por lo general pasa a través de la
llama en ángulo recto al eje óptico del monocromador y la fuente es modulada una vez más para evitar que se midan las emisiones térmicamente excitadas de la llama. La instrumentación para la fluorescencia, la emisión y la espectroscopia de absorción consta esencialmente de dos partes que tienen diferentes funciones y consiste de un atomizador para producir átomos en estado basal y un sistema óptico que consiste de una fuente de resonancia, además del espectrómetro y el detector.
3.1
Fuentes Lineales La lámpara de cátodo hueco es el único tipo de fuente de luz que se usa ampliamente en la espectrometría de absorción atómica, su característica principal es la estrecha línea espectral de absorción. En la espectroscopia de electrónica molecular normalmente se usa lámparas de filamento de cuarzo-halógeno, lámparas de deuterio o lámparas de arco de xenón. Se les llama fuentes continuas, ellas emiten luz en un amplio rango espectral, y al usarse con un monocromador la longitud de onda de interés puede ser aislada. Una fuente de radiación primaria apropiada para las mediciones de absorción atómica deben emitir un espectro de resonancia aguda a una anchura media de 0.001 nm. Con líneas de emisión de 0.1 mn se obtienen apreciables absorciones de anchura media. Los tubos de descarga de vapor estuvieron fácilmente disponibles para los elementos metálicos volátiles más comunes tales como el mercurio, sin embargo, la lámpara de cátodo hueco sellada, que ha sufrido un considerable desarrollo y una mejora en su fiabilidad y su intensidad se ha visto que es la mejor fuente. Otra fuente lineal que ya no es muy popular o que ya no se usa en gran medida es la lámpara de descarga sin electrodo excitadas a frecuencia de radio y microondas. Las lámparas de descarga de vapor tienen intensidades mucho mayores con mejores señales de relación intensidad/ruido y mejores límites de detección, y deberían tener cierta ventaja sobre las lámparas de cátodo hueco, sin embargo a las corrientes bajas requeridas, estas lámparas tienden a ser inestables y son menos ventajosas. Las lámparas de cátodo hueco modernas son mejores para la estabilidad y con un mejor ancho lineal que las antiguas lámparas de descarga de vapor.
3.1.1 Lámparas de cátodo hueco La lámpara de cátodo hueco es estable, fiable, tiene una vida de operación larga y es la fuente estándar en la espectrometría de Absorción Atómica. Se podría esperar que estas lámparas corran o funcionen en un exceso de horas a 5000 mA sin que fallen y se ha sabido que muchas de ellas duran el doble de vida. La lámpara de descarga de cátodo hueco se conoce que es una fuente lineal fina capaz de producir espectros donde puede estudiarse la fina estructura. Las versiones antiguas de esta lámpara eran desmontables, permitiendo que la lámpara se saque y que el cátodo sea cambiado.
3.1.2 Lámparas de cátodo hueco selladas Las primeras lámparas selladas consistían de un tubo de vidrio con el electrodo sellado dentro de ella con una ventana óptica en un extremo hecho de vidrio o de sílica dependiendo de la longitud de onda y estaba unido con una resina termoestable o cera al vacío. La construcción de una lámpara típica de las que se usan hoy en día se muestra en la figura 6. Los dos electrodos están sellados en la envoltura de vidrio y la ventana está dispuesta en el extremo opuesto al cátodo. Las conexiones eléctricas están hechas a través de un enchufe octal estándar en la base de la lámpara. El cátodo tiene la forma de una taza hueca dentro del cual se lleva a cargo la descarga. Esta taza está construida del elemento o contiene el elemento de interés del cual se requiere su espectro. Un protector de mica sostiene la estructura rígida y ayuda a contener la descarga dentro de la taza del cátodo. La taza por lo general tiene un diámetro interno de aproximadamente 2 mm a fin de concentrar la descarga en una pequeña área y producir una línea de alta intensidad. La energía disponible parece disiparse en la línea de resonancia del metal más que en el gas de llenado en este tipo de construcción. La lámpara por lo general es llenada a una presión de 4-10 Torr con un gas inerte tal como helio, argón o neón. Se usan gases inertes altamente purificados y el vidrio es degaseado a altas temperaturas para eliminar las impurezas adsorbidas sobre la superficie del vidrio. La línea de emisión del gas inerte de llenado no debe coincidir con la línea de resonancia del metal de interés. El neón tiene un potencial de ionización mayor que el argón y por eso se le prefiere para aquellos elementos que tienen un potencial de ionización mayor debido a que mejora la intensidad de la descarga.
Figura 6: Lámpara de cátodo hueco
Cuando se aplica un voltaje de entre 300-400 entre el ánodo y el cátodo se establece la descarga y el argón es ionizado por el ánodo y se convierte en un ión de argón positivo mediante el siguiente mecanismo: Ar + e+ Ar + + 2eEl ión positivo Ar + es atraído y acelerado hacia el cátodo metálico donde descarga o salpica átomos metálicos excitados hacia el espacio interior del cátodo hueco. El
Argón colisiona de manera más efectiva con el cátodo metálico golpeando los átomos del metal dentro de la descarga, lo cual mejora la sensibilidad de la descarga. Los átomos excitados emiten energía de su propia longitud de onda característica antes de retornar al estado basal y esta luz emitida se usa como la fuente de luz para el sistema del AAS. Después que el átomo retorna al estado basal ellos forman una nube de átomos libres que retornan hacia las paredes de la lámpara de vidrio o bien hacia el cátodo metálico. Si los átomos en el cátodo están calientes producirán un ensanchamiento de la línea espectral causado por el efecto Doppler. Esto va en detrimento de la operación del AAS ya que se producen “alas” sobre dichas líneas de emisión ensanchadas las cuales no pueden ser absorbidas por los átomos libres de la muestra. La ventana en el extremo de la lámpara podría estar construida de vidrio UV o de sílica. La sílica se usa por lo general para longitudes de onda que están en el rango ultravioleta menor a 300 mn y el vidrio se usa por lo general para el extremo visible del espectro. Si se usa la sílica, ésta está unida con un sello “graded” (en gradiente- ver Nota de pie). Las lámparas por lo general operan de 2 a 15 mA dependiendo del elemento y del diseño de la lámpara. Las corrientes de lámpara máxima deben ser operadas como establecen los fabricantes y nunca deben ser excedidas. En muchos casos es mejor hacer funcionar la lámpara a corrientes menores que las recomendadas a fin de prolongar la vida de la lámpara y para aumentar la sensibilidad de la determinación al operar a un 75% del valor máximo. Un espectro lineal típico para el Níquel se muestra en la figura de abajo el cual da líneas de resonancia de alta intensidad y ancho de banda estrecho y son aquellas líneas absorbidas por los átomos libres de los elementos a ser determinados. La línea de resonancia para el níquel a 232.0 nm se ve claramente como la línea más intensa.
Figura 7. Parte del espectro lineal a partir de una lámpara de cátodo hueco de níquel
3.1.3 Lámparas de salida Boosted En este tipo de lámparas la nube de átomos que se forman generalmente en la parte frontal del cátodo es excitada por una descarga secundaria. Los átomos mejoran la sensibilidad de la radiación de resonancia al contribuir más que en disminuir la absorción. La descarga secundaria es de corriente mayor, usualmente 300-400 mA, con un bajo voltaje. Tales lámparas daban mejores relaciones señal/ruido, sin embargo su mayor grado de complejidad parecía hacer de ellas menos fiables y de menor vida. Sullivan y Walsh (5) usaron este tipo de lámpara de cátodo hueco, pero como parecían no tener ninguna ventaja real sobre las lámparas descritas anteriormente ya no se disponían comercialmente de ellas. 3
3.1.4 Cátodos con Ranura Para incrementar la cantidad de luz que proviene de la lámpara de cátodo hueco y que entra al monocromador, puede diseñarse la óptica de manera tal que se aparee con la imagen “astigmática tangencial” del cátodo (6). Ésta imagen se forma luego de la reflexión del eje a partir de un espejo cóncavo hacia la forma de la ranura de entrada del monocromador. Esta imagen no se forma en instrumentos que tienen una óptica de lentes única y a fin de que se pueda realizar dicho efecto se desarrollaron las lámparas de cátodos ranurados.
3.1.5 Lámparas Multielemento Una lámpara multielemento tiene un cátodo que está compuesto de más de un elemento. Aunque el número y el tipo de elementos que pueden ser puestos juntos en un cátodo es limitado, este tipo de lámparas es útil si dichos mismos dos o tres elementos son analizados de manera rutinaria. Por ejemplo una lámpara de Ca/Mg puede ser útil en el análisis de agua. Puede reducirse así el calentamiento y el cambio en los períodos. La aleación para el cátodo debería contener aquellos elementos que son proporcionales a sus velocidades de salpicadura y deberían ser capaces de operar a la corriente requerida para su uso óptimo. Como los elementos salpican a diferentes velocidades ellos pierden intensidad y a la vez se pierden. Es conveniente usar una lámpara multielemento si existe sólo una posición para la lámpara de cátodo hueco. Al igual que la lámpara de cátodo hueco, la lámpara multielemento necesita sólo un período corto de calentamiento de 5 a 20 minutos. Una desventaja de esta lámpara es que las intensidades de las líneas de resonancia de los elementos individuales se reducen cuando se colocan juntas en un cátodo y la performance en general es más pobre. También si la lámpara falla entonces se pierden todos los elementos.
Nota del Traducto r: A través de un complejo proceso al vidrio se produce el “graded” que le da un fi rme sellado hermético al tubo y que tiene un gradiente de composición que va gradualmente desde un vidrio que tiene silica “dura” en 96% que tiene un coef. de expansión de 0,000000 7.5 cm/cm/°C hasta uno más “suave” que tiene un coeficiente de expansión de de 0,0000033 cm/cm/°C
3.1.6 Lámparas de Descarga sin Electrodo Las lámparas de descarga sin electrodo (EDLs) proporcionan una fuente espectral más intensa para algunos elementos a comparación de la lámpara de cátodo hueco, en particular para los elementos volátiles As y Se. La lámpara sin electrodo consiste de una pequeña cavidad sellada que contiene una pequeña cantidad del elemento, o una sal del elemento, rodeada de un gas inerte a baja presión. La cavidad está rodeada de una bobina a la que se le suministra energía RF de un generador que resuena a una frecuencia escogida y vaporiza el elemento para excitar los átomos y producir el espectro deseado. Como los EDLs fueron útiles para los instrumentos con sistemas ópticos ineficientes los beneficios obtenidos fueron marginales, aunque en algunos casos podrían ocurrir algunas mejoras en la detección. El problema principal con el DEL es la inestabilidad. Las lámparas sin electrodo se desarrollaron inicialmente para su uso en Espectroscopia de Fluorescencia Atómica (AFS) y fueron excitadas por microondas. Dichas lámparas eran más intensas que las lámparas de cátodo hueco. Pero eran más difíciles de estabilizar. Las lámparas de descarga excitadas por frecuencias de radio son menos intensas pero más reproducibles a comparación de las lámparas de descarga excitadas por microondas. Las lámparas de radio frecuencia disponibles comercialmente tuvieron éxito al comienzo y corrían a 27 MHz a partir de un suministro de energía simple, pero ya no están disponibles actualmente.
3.1.7 Lasers Actualmente se disponen de lasers seleccionables por tinta y pueden proporcionar líneas espectrales de alta intensidad que tienen una estrecho ancho de banda. Se les llama seleccionables pero en realidad solo cubren un rango de longitudes de onda de 30 a 50 nm para una tinta en particular. La tinta necesita ser cambiada para los diferentes rangos de longitud de onda. El alto costo de los lasers actualmente supera sus ventajas. 3.2
Atomizadores-Llama Una llama de combustión proporciona la fuente más conveniente estable y económica de producir vapores atómicos. La temperatura de llama es importante para la producción de átomos libres y los efectos químicos de los radicales y otras sustancias presentes en la llama. Puede producirse un rango de temperaturas desde 2000 hasta 3000 K a partir de mezclas de combustible y oxidantes que son seguras de manipular. Las mezclas de gases de combustión varían y podrían no tener las mismas propiedades analíticas a la misma o a diferentes temperaturas. Pueden usarse propano, Hidrógeno y acetileno como gases de combustión y aire u óxido nítrico como oxidantes. Raramente se usa Oxígeno puro como oxidante ya que su velocidad de quemado es demasiado alta y difícil de controlar, aunque ciertas veces es mezclado con Argón o Helio. Cualquiera de los gases arriba mencionados pueden ser combinados usando una proporción oxidante/combustible para producir una llama mixta estequiométrica y pobre o bien una llama rica. La llama aire/acetileno se usa
extensivamente ya que permite la determinación de aproximadamente 30 metales comunes. La sensibilidad de algunos elementos en una llama aire/hidrógeno no es mucho menor que en una llama aire/acetileno, excepto de que la interferencia podría ser peor debido a la formación de sustancias estables en la llama a partir de la solución de la muestra. Los elementos que forman monóxidos estables producen menores sensibilidades en las llamas que se basan en hidrógeno. Las mezclas aire/propano se usaron inicialmente para aquellos elementos que eran fácilmente atomizados. Estos incluían los metales alcalinos, Cadmio, Cobre, Plomo, Plata y Zinc. La llama aire/propano produce mejor sensibilidad para dichos elementos, aunque el límite de detección podría no ser mejor que el de la llama aire/acetileno. Las llamas aire/acetileno se usan para elementos que no forman óxidos refractarios tales como Calcio, Cromo, Cobalto, Hierro, Magnesio, Molibdeno, Níquel, Estroncio y los metales nobles. Se podría obtener mejor sensibilidad en la llama más fría rica en combustible para los óxidos metálicos refractarios que en una llama estequiométrica. Aquellos elementos que muestran una menor sensibilidad en las llamas aire/acetileno tienen una energía de disociación para el enlace metal-óxido (M-O) mayor de 5eV. Por ejemplo: el enlace Al-O, 5.98; el enlace Ti-O, 6,9; el Zr-O, 7.8eV; el Ta-O, 8.4. Las llamas de óxido nitroso/acetileno producen una temperatura mayor que la de la mezcla equivalente de oxígeno y nitrógeno debido a las reacciones de descomposición exotérmica. Se producen temperaturas de alrededor de 3000 K lo cual no es mucho menor que aquella producida por una llama Oxi-acetileno, pero como la velocidad de quemado es más lenta, ésta es más segura de manipular. El óxido nitroso ha sido usado como oxidante tanto para Hidrógeno como para el propano, sin embargo, la llama óxido nitroso/hidrógeno produce una sensibilidad pobre y es altamente oxidante a comparación de la llama óxido nitroso/acetileno. La llama óxido nitroso/Hidrógeno es útil para eliminar la formación de carburos y producen mejor sensibilidad para aquellos elementos que forman óxidos refractarios. Ésta es útil para mejorar la sensibilidad de los espectros de banda de emisión producidos por especies de óxido metálico y es recomendada para aquellos elementos que son fácilmente atomizados cuando están disueltos en solventes orgánicos. Así el benceno, xileno y el petróleo pueden ser aspirados directamente hacia el interior de la llama sin que cause una excesiva luminiscencia debido a que la proporción C/O a la cual aparece la luminiscencia no es excedida. El óxido nitroso/propano o butano tienen algunas de las propiedades reductoras de las interferencias de la llama óxido nitroso/acetileno mientras que sean manipuladas como aire/acetileno pero una vez más la sensibilidad es pobre. Los dos tipos de llama más importantes siguen siendo la de aire/acetileno y la de óxido nitroso/acetileno. Estudios hechos de las llamas que se basan en aire u óxido nitroso con Hidrógeno o acetileno, indican que la mejor sensibilidad casi siempre ocurre por encima del núcleo más interno de la llama laminar, que queda por lo general 0.3 – 0.5 cm por encima de
la ranura del quemador. En este punto las llamas de aire/acetileno y de óxido nitroso/acetileno están en equilibrio térmico mientras que las llamas de aire/Hidrógeno alcanzan el equilibrio térmico a aproximadamente 1.5 cm. del quemador. En las llamas de Hidrógeno, la posición para alcanzar la mejor sensibilidad podría ser inestable. La velocidad de flujo del gas y la expansión térmica de los gases de la llama luego de la combustión contribuyen al efecto de dilución de los átomos y al tiempo de residencia de los átomos en el haz de radiación. La mejor sensibilidad a una temperatura dada se produce cuanto más pequeña es la proporción gas de combustión/volumen de muestra. El aire/propano produce mejores sensibilidades que el aire/acetileno para elementos que se atomizan completamente a 2200 K. Si se usa hidrógeno, se requerirá más Hidrógeno, lo cual explica parcialmente porqué la mezcla óxido nitroso/Hidrógeno produce una performance más pobre que el óxido nitroso/acetileno. La formación de carbón libre afecta las propiedades reductoras de la llama. A medida que aumenta la proporción combustible/oxidante en una llama de hidrocarburos, la concentración de carbón libre o de radicales que contienen pequeños átomos de Carbono aumenta, hasta que el carbón se aglomera y elimina efectivamente la actividad del Carbono. Esta es el punto crítico de la proporción Carbono/Oxígeno (C/O) y para ciertos elementos sus sensibilidades aumentan hasta un máximo en la proporción C/O crítica. Los solventes orgánicos incrementan la proporción C/O crítica y los metales aspirados en solventes orgánicos tienen mayores sensibilidades que cuando están en solución acuosa. La proporción C/O crítica es mayor para el acetileno que para el propano y en cambio para el Hidrógeno la actividad del Carbono está ausente. Las temperaturas medidas en la llama dependen de una variedad de factores, estos incluyen proporciones del gas de la llama, el método usado, y el ensamblaje experimental. El éxito de la llama óxido nitroso/acetileno que es más caliente se debe a la alta proporción C/O crítica.
3.3
Horno Las llamas de combustión son baratas de producir, estables en su operación y producen un amplio rango de temperaturas dependiendo de las mezclas de gas usadas. Sin embargo ellas tienen serias desventajas ya que los vapores atómicos siempre contienen otras especies reactivas. No es posible predecir que diferentes mezclas de elementos podrían responder en la absorción y como las especies no absorbentes podrían interferir con los elementos a ser medidos. Se han hecho intentos para producir el vapor atómico en un medio neutro o no reactivo y se han propuesto varias vías eléctricas para obtener el calor necesario.
3.4
Monocromadores 3.4.1
Resolución
la función del monocromador es aislar la luz emitida a partir de una fuente de radiación primaria y aislar la línea de resonancia más intensa de todas las demás líneas no absorbentes que están cerca de ella. Dichas líneas podrían provenir del metal del
cátodo o del gas de llenado en la lámpara del cátodo hueco. Dependiendo del tipo de lámparas usadas un buen monocromador debería ser capaz de separar líneas a partir del espectro de la fuente más complicada. Un monocromador debe ser capaz de separar dos líneas a una distancia de 0.1 nm o menos cuando se opera a un ancho de ranura (slit) mínimo . Un monocromador será mejor cuanto más pequeño sea el ancho de slit antes que si al estrechar más los slits no se tuviese mayor efecto sobre la resolución. El paso de banda espectral mínimo es de 0.01 nm para aquellos instrumentos muy buenos. Otra función del monocromador es aislar la línea de resonancia de la emisión molecular y otro fondo continuo que se origina a partir de la llama. Para evitar toda la radiación que sale de la llama debido a la saturación del detector, se coloca el monocromador después de la celda de la muestra y no antes tal como se hace en los instrumentos de ultravioleta convencionales. La máxima altura del slit es el diámetro de la imagen de la fuente en los slits primarios. Si los slits fueran más largos que la óptica pre-slit, podrían ingresar al monocromador radiaciones no deseadas durante las mediciones de absorción.
3.4.2 Prisma o Grating Los prismas o gratings son dos diferentes piezas que se usan para la dispersión de las longitudes de onda. La diferencia en la performance entre un prisma y un grating es: 1. Los prismas que no están hechos de vidrio producen alta dispersión en el extremo ultravioleta del espectro lo cual disminuye al incrementar la longitud de onda. 2.
La dispersión de los gratings es casi constante a lo largo del espectro y es dependiente del número de estrías o ranuras por unidad de ancho, también del orden espectral y de la longitud focal del colimador.
Los prismas son útiles en el hecho de que muchos elementos tienen líneas de resonancia que aparecen en el UV. Toda la luz transmitida a partir de un espectro es de “orden” simple tal que la energía concentrada en una línea particular es mayor y tiene menor luz disipada y otras reflexiones espurias (ver Nota al pie). Los prismas tienen pobre resolución en el rango que está más allá de 240 nm hasta 450 nm. Como actualmente los gratings con bordes holográficos son más económicos y reproducibles están llegando a ser ampliamente usados. La energía de la luz que pasa rápidamente cae en un orden más alto y los gratings son aclamados por dar una difracción máxima a una longitud de onda particular, de tal manera que se usan o bien los de primer o los de segundo orden. En algunos instrumentos podrían usarse dos gratings para cubrir el rango que va de 180-400 nm y de 400-860 nm.
3.5
Detectores 3.5.1 El Fotomulti plicador
La función de un detector es medir la intensidad de la radiación de la luz que incide en él y el tipo más común de detector es el fotomultiplicador. El detector debe ser capaz de cubrir el rango espectral que va de 190-860 nm el cual posee algunos problemas de sensibilidad, particularmente a las mayores longitudes de onda. La sensibilidad del fotomultiplicador está determinada por qué tan fotosensible es el material de recubrimiento en el cátodo. Los materiales que comúnmente se usan para construir estos detectores son: Aleaciones de Antimonio, Bismuto y/o plata. La mayoría de estos proporcionan una respuesta suficiente a longitudes de onda por debajo de 190 nm. Los cátodos de Cesio-Antimoino operan bien hasta 500 nm sin embargo la respuesta decae a 760 nm. Los cátodos trialcalinos de Antimonio-Sodio-potasio-cesio responden bien hasta 850 nm. Nota del Traductor : para saber más acerca de luz espuria y reflexiones espurias visitar: www.jenck.com/uv-dq.htm
Los cátodos de arsenuro de Galio tienen una buena respuesta hasta las longitudes de onda más altas.
Las características más importantes de un fotomultiplicador son su corriente “oscura” y el ruido que aumenta a medida que se aplica voltaje. Un factor de amplificación de más de 100 se puede alcanzar al incrementar el voltaje sobre el sistema dinodo. El gain (g) de un fotomultiplicador aumenta exponencialmente con el voltaje interdinodo (V). La relación es: g = KV0.7n donde: n = número de dinodos El suministro de alto voltaje debería ser estabilizado hasta un 0.05% o mejor que eso. El fotomultiplicador es una serie de electrodos (o dinodos) cada uno con una superficie emisora y un potencial positivo que está relacionado al electrodo previo al mismo. Cuando un fotón golea la superficie emisora, se eyecta un electrón, es acelerado y choca contra el siguiente dinodo eyectando así más electrones, hasta que una lluvia de electrones llega al ánodo. De esta manera un simple fotón que choca contra la superficie emisora genera una lluvia total de electrones y produce una señal eléctrica significativa. La sensibilidad del sistema depende del voltaje entre los dinodos. A mayor voltaje mayor es la amplificación. Demasiado voltaje causa una señal de ruido y puede ser ajustada para producir una proporción aceptable señal/ruido (S/N). Es importante elegir el fotomultiplicador para cubrir el rango de longitud de onda que a uno le interesa ya que la señal de respuesta varía con la longitud de onda usada.
El “Shot noise” (ruido de disparo o ruido shot) es un tipo de ruido electrónico y se interpreta como las variaciones estadísticas reales en la respuesta causada por la lluvia de electrones generada entre los dinodos a medida que se incrementa el voltaje del dinodo. Esto es proporcional a la raíz cuadrada de la intensidad de la radiación que incide en el fotocátodo.
SECCIÓN 4: TÉCNICAS COMPLEMENTARIAS PARA LA INTRODUCCION DE LA MUESTRA Aunque la absorción atómica por llama es una técnica perfectamente adecuada para la terminación de niveles bajos de elementos en el rango de mgl -1,, con frecuencia es necesario medir niveles de concentración mucho más bajos. Para acomodarse a dichas demandas se han desarrollado otras técnicas de introducción de muestras como las siguientes:
4.1
La Navecilla (o dispos itivo) de muestreo Kahn y colaboradores desarrollaron un sistema que usa un dispositivo llamado navecilla o “bote” de tantalio el cual podía ser empujado hacia el interior de la llama luego de que la muestra había sido cuidadosamente elaborada. Esto se lograba al llevar la navecilla con la muestra cerca a la llama, insertándolo entonces finalmente para poder registrar así un pico de absorción alto y estrecho. La navecilla era de 5 cm de longitud y de 1 a 2 mm de ancho y profundidad y se escogió el tantalio debido a su buena conductividad y resistencia al calor. Este aparato era útil para elementos volátiles tales como As, Cd, In, Pb, Hg, Se, Ag, y Tl. Podía evaporarse y calentarse un volumen mayor a un mililitro para obtener una sensibilidad de 0.0001 μg/ ml para Cd y Ag.
4.2
La Copa Delves La copa Delves o cámara de Delves es un dispositivo que usa un bucle de Platino y un crisol de Níquel. La copa se monta en la llama por debajo de un tubo de Níquel o de sílica que tiene un agujero en la parte bajo de uno de sus lados. La mezcla llega a atomizarse parcialmente y pasa hacia el tubo donde se mantiene en la ruta óptica por un tiempo mayor que en una llama convencional. Se usan para este sistema llamas pobres o llamas comparativamente más frías de aire/propano para determinar elementos volátiles tales como Plomo, Cadmio y Talio. Esta técnica se usa principalmente como método de screening o barrido para el Plomo y puede usarse para medir 100 μg l-1 (100ppb) para la sangre total. Han sido usados diversos crisoles metálicos tales como Tantalio, acero inoxidable y Molibdeno. El tubo de Níquel ha sido reemplazado con tubos de cerámica y/o de carburo de Silicio.
4.3
Trampa de Átomos en Tubo Ranurado (STAT) Un desarrollo posterior a partir de la técnica antes mencionada es la trampa de átomo con tubo ranurado. Esta consiste en un tubo de sílica o cuarzo de 120mm de longitud x 8mm de diámetro interno con una ranura de 50mm en la parte baja y una ranura de 40mm por encima de la primera ranura y por lo general esta técnica se refiere para usarse con un quemador de longitud de 50mm usando la llama aire/acetileno. Está
basada en un diseño que inicialmente diseñado por Watling en 1977, el cual tenía dos ranuras separadas en un ángulo de 120° y paralelas una a la otra. El tubo se coloca sobre el quemador de tal manera que la ranura más grande queda directamente por encima de la llama que efectivamente atrapa “los átomos”. Esto proporciona un mayor tiempo de residencia para los átomos metálicos producidos en la llama ya que este dispositivo los condensa dentro de un espacio más confinado. El tubo está normalmente acondicionado para aproximadamente 10 a 15 minutos al aspirar una solución de cloruro de lantano al 1% en m/v para recubrir al tubo para evitar la desvitrificación y posiblemente aumentar el área superficial. Aquellos elementos que muestran alguna mejora en su sensibilidad con este dispositivo son disociados térmicamente en la zona de reacción primaria caliente de una llama pobre de aire/acetileno. A dichos elementos se les conoce como elementos volátiles los cuales se caracterizan por sus bajas energías de disociación M-O ó M-Cl. Los elementos que muestran esta mejora en la respuesta se presentan a continuación:
Ib
II b
III b
IV b
Vb
VI b
Cu
Zn
(Ga)
(Ge)
As
Se
Ag
Cd
(In)
Sn
Sb
Te
Au
Hg
Tl
Pb
Bi
( ) indica que no hay datos o que tiene aplicaciones limitadas Los elementos con energías de disociación M-O relativamente altas tales como los metales de transición de peso atómico alto y los elementos refractarios los cuales normalmente se determinan mejor en una llama óxido/acetileno, no muestran ninguna mejora con el dispositivo STAT. No puede usarse óxido nitroso/acetileno como tubo de cuarzo ya que este se puede fundir en una llama mucho más caliente. Esta técnica es bastante útil para un sceening o barrido rápido de una muestra para determinar si esta satisface o no un criterio en particular, ya que esta técnica es simple y rápida de usar. Se han llegado a determinar niveles tan bajos o por debajo de 50 ppb para el Plomo en sangre. También se ha reportado cadmio a niveles de 5 ppb. La ventaja de esta técnica es que aumenta la sensibilidad de 3 a 5 veces con respecto a la AAS de llama convencional y la colocación de la muestra es bastante más rápida a comparación con un sistema de horno de grafito.
4.4
Técnica de Micromuestreo de Alícuota El aparato para colocar la alícuota de la muestra consiste normalmente en un bloque de PTFE que tiene un pequeño pozo en el extremo superior y un agujero que ha sido perforado a lo largo de todo el lado opuesto para permitir pueda ser unido o insertado el
tubo capilar del nebulizador. En vez del bloque de PTFE podría usarse una punta plástica de micropipeta que puede ser unido al instrumento en cuestión de segundos. Esta técnica es conocida bajo una diversidad de nombres tales como inyección directa, nebulización con copa Hoescht o pulsada o de alícuota. Se usa principalmente para inyectar pequeñas cantidades discretas de muestra dentro del equipo AAS de llama entre 50 a 100 μl. La ventaja de este accesorio es que si sólo se dispone de pequeñas cantidades de muestra, puede determinarse más de un elemento a partir del pequeño volumen de muestra y podría ser analizado con la misma velocidad del sistema de llama continuo. La sensibilidades que se obtienen con esta técnica sólo son ligeramente menores que cuando están en equilibrio o en un estado estable debido a que la aspiración continua es realizada en el modo de AAS de llama normal. Esta técnica también permite la inyección de soluciones que contienen niveles más altos de sólidos disueltos de entre 12 a 15 % para ser inyectados, a comparación del 5% de sólidos disueltos que normalmente se permite para algunos quemadores. La reproducibilidad de esta técnica está dentro del 2% cuando se usan mediciones de altura de pico.
4.5
Técnica de generación de hidrur os Muchos elementos son difíciles de determinar por AAS de llama debido a que sus líneas de resonancia de llama están por debajo de 200 nm donde hay una fuerte absorción debido a los gases de la llama. Puede usarse la atomización electrotérmica con corrección de fondo para estudiar dichos elementos, pero una técnica alternativa es usar la propiedad que tienen ciertos metales de formar hidruros. El hidruro así formado podrá ser descompuesto hasta un valor atómico sin que haya sido directamente formado sin una llama. Algunos de los elementos que forman hidruros volátiles son el Antimonio, Arsénico, Bismuto, Germanio, Plomo, Selenio, Telurio y Estaño. Inicialmente los hidruros fueron generados por reducción con ácido clorhídrico zinc y eran recolectados en un globo antes de hacer pasar el vapor al interior de una llama argón hidrógeno. Un agente reductor más eficiente es una solución de borohidruro de Sodio al 1% la cual se prepara en una solución de NaOH al 0.1%. La solución que contiene la muestra acidificada se hace reaccionar como hidruro de Sodio de la manera siguiente: As3+ + 6BH 4- + 3H + 3B2 H 6 + 3H2 ↑ - + AsH 3 ↑
El B2H6 luego será hidrolizado hasta ácido bórico. El hidruro producido por lo general es transportado por una corriente de gas inerte hacia el atomizador el cual es un tubo de sílica en forma de T que está montado en la llama. El AsH3 se descompone entonces hasta As y es medido entonces de la manera usual. La respuesta para el Arsénico y el Antimonio varían con sus estados de valencia en el sentido de que el estado +5 produce una respuesta más pobre que el estado +3. Estos elementos deberían ser reducidos con yoduro de Potasio antes de que se genere el hidruro. De manera similar el Telurio y el Selenio deben estar en el estado +4 y no en el estado +6.
Existen ciertas evidencias de interferencias debidas a otras especies en el mismo tubo y deben de tomarse precauciones para evitar dichas interferencias. Uno de tales problemas es el vapor residual de cloruro de Hidrógeno. Se ha reportado que elementos fácilmente reducidos tales como Plata, Cobalto, Níquel, Oro y Cobre suprimen la producción de los elementos que producen hidruros. Los iones metálicos que son reducidos por hidruro de Sodio precipitan bajo la forma de una fina dispersión de metales libres los cuales catalizan al hidruro. Una solución para esto es añadir una mayor concentración de ácido clorhídrico para disolver dichos metales. La principal ventaja del sistema hidruro, es que los gases de la llama no son absorbidos a la longitud de onda usada, siempre que el Hidrógeno producido no se queme. En tanto que haya un mayor tiempo de residencia para los átomos, se tendrán mayores sensibilidades a comparación del AAS de llama.
4.6
Técnica del vapor frío de Mercuri o El Mercurio es el único elemento además de los gases inertes que tiene una presión de vapor apreciable a temperatura ambiente. El procedimiento usado para el análisis de Mercurio es similar al del sistema de hidruro, excepto que el Hg producido no tiene que ser calentado ya que éste se encuentra ya en su forma atómica. El tubo en forma de T también puede ser construido de vidrio. La reducción del Mercurio se lleva a cabo de manera similar a los otros elementos que forman hidruros y pueden ser reducidos bien con borohidruro de Sodio o bien con cloruro de Estaño II lo cual procede de acuerdo a la siguiente reacción: Hg 2+ + Sn2+
Hg + Sn4+
El vapor de Mercurio es empujado hacia afuera del sistema hacia el interior del tubo en forma de T y luego es medido. Algunos sistemas cerrados que tienen ventanas de sílica usan una bomba de recirculación y permiten que el vapor de Mercurio alcance el equilibrio con el gas Argón. Un mayor tiempo de residencia en el tubo hace que también aumente la sensibilidad en 100 veces a comparación del AAS de llama. Normalmente no se requiere de la corrección de fondo. Algunos elementos reducibles tales como Oro, Plata, Vanadio y Platino pueden interferir con la reducción. Por medio de esta técnica se pueden obtener hasta límites de detección menores a 1ng ml -1.
4.7
Sistema de amalgama de mercurio Este sistema consiste de una gasa metálica de Oro, Plata o Platino colocada dentro de un tubo que está rodeado de una resistencia de calentamiento en forma espiral. Algunos otros sistemas usan polvo de Oro en lugar de la gasa metálica. El principio que reside detrás de este dispositivo hace empleo de la capacidad del mercurio de formar amalgamas con los metales antes mencionados. El vapor de Mercurio puede
ser producido por la generación de hidruros o por un equipo de flujo continuo. También podrían pasarse a través de esta arena de Oro, el Mercurio proveniente de muestras de aire para producir así una amalgama de Mercurio Aunque el sistema de generación de hidruro de flujo continuo es adecuado para Hg a nivel de ppb, el dispositivo de amalgamas puede medir Mercurio hasta nivel de 20 ng x l-1. Esto se logra al pasar vapor de Mercurio a través de la gasa de Oro para producir la amalgama. El Mercurio es recolectado durante un período definido de tiempo, por lo general entre 0.5 a 2 minutos y luego es revaporizado por la acción del calor y es pasado hacia el sistema de detección. El tiempo y la cantidad de calor es controlable, ya que es el flujo del Argón lo que transporta al vapor de Mercurio directamente hacia la celda catiónica del espectrómetro. Se obtiene una señal de absorbancia mucho más fuerte que aquella cuando el vapor de Mercurio es transportado directamente hacia el interior del espectrómetro sin que haya habido preconcentración. Luego se mide la señal por su altura de pico o por su área.
4.8
Análisis por Inyección de Flujo En 1975 se escribieron por primera vez métodos de flujo no segmentados y que ahora se les llama análisis por inyección de flujo (FIA). En esta técnica el flujo no está segmentado por burbujas de aire y en este sentido se diferencia del sistema de flujo segmentado que es usado en los autoanalizadores. La muestra se inyecta dentro de la corriente de gas que fluye en vez de ser directamente aspirada hacia el interior de la llama y la señal es registrada antes que se alcance el equilibrio físico o químico. Trabajos más recientes han demostrado que, al segmentar la corriente del gas transportador con burbujas de aire introducidas inmediatamente antes del bucle de inyección de la muestra, mejora la sensibilidad analítica cuando es usado con una configuración típica de la cámara de dispersión de la muestra. A esta técnica se le conoce como análisis de inyección de flujo segmentado (SFIA). El aparato es bastante simple. El gas transportador que contiene la muestra en solución es bombeado de una manera continua y aspirada en el nebulizador. Normalmente las técnicas de llama usan un volumen de muestra de 0.5 a 2 ml para la determinación de un elemento por aspiración continua. La ventaja de este sistema es que puede inyectarse volúmenes pequeños de muestra que van entre 10 a 200 μl. Cuando se usa el sistema SFIA acoplado con el AAS de llama. Este sistema puede tolerar altos niveles de sólidos disueltos y se pueden minimizar los efectos de la viscosidad mediante dilución de la muestra antes de la aspiración. También pueden introducirse al sistema SFIA-AAS diversos agentes liberadores y supresores de ionización. Los efectos de las interferencias podrían ser minimizados al añadir diversos reactivos o realizando una separación cromatográfica en el gas transportador. Es posible mejorar la sensibilidad de la determinación usando un paso de preconcentración tal como una extracción líquido-líquido o por intercambio iónico. Con esta técnica también puede alcanzarse una alta aspiración de la muestra y también puede adaptarse la automatización de la preparación de la muestra al sistema SFIA.
4.9
Técnica del Atrapamiento de Átomos Este dispositivo se usa para incrementar el tiempo de residencia de los átomos en la llama del AAS convencional. Se monta sobre la llama un tubo doble o simple de sílica y tiene un sistema de enfriamiento de agua que pasa a través del tubo. La solución a ser medida es aspirada de la manera normal por un período fijo de tiempo, usualmente de 1 a 2 minutos y los metales son atrapados en la superficie relativamente fría de la sílica a 350°C-400°C. El agua de enfriamiento es forzada hacia fuera usando Argón, Nitrógeno o aire y el tubo entonces rápidamente se calienta en la llama produciendo una nube de átomos concentrada. Se usa entonces la altura de pico o el área para medir la señal. Se obtiene un límite de detección en el rango de ppb lo cual es mucho más bajo que en un AAS convencional por llama.
PARTE II
INSTRUMENTACIÓN DE ABSORCIÓN ATÓMICA
SECCIÓN 5: SISTEMAS ÓPTICOS 5.1
Instrumentos de Haz Simple El típico instrumento de haz simple que usa un sistema óptico pre-slit se muestra en la siguiente figura, vista desde arriba:
Figura 8: Instrumentos de Haz Simple
En este espectrómetro de haz simple, como en cualquier otro de haz simple, la luz que incide sobre el detector es proporcional a la luz transmitida a través de la muestra. Para obtener la absorbancia, es necesario tomar una lectura a través del blanco y luego de nuevo a través de la muestra, usando una fuente que tenga intensidad estable. El sistema debería ser estable a lo largo de todo el período de tiempo durante
el cual se realizan las mediciones, tal que no tengan que hacerse corrida de reactivos y estándares a intervalos regulares. Las lámparas de cátodo hueco modernas y las lámparas sin electrodo emiten la misma intensidad en períodos largos, aunque ninguna fuente es completamente estable. Los efectos de la variación de la fuente, en gran medida, pueden superarse mediante el uso de una óptica de doble haz. Existe una variedad de diferentes esquemas ópticos para un instrumento de haz simple tales como el Littrow, Ebert y Czerny-Turner. Puede montarse un grating en un monocromador de varias maneras como se muestra debajo en el esquema Littrow.
Figura 9. Monocromador Littrow
Otro arreglo es el montaje Ebert el cual usa un espejo esférico grande para colimar y enfocar el haz como se muestra a continuación:
Figura 10. Monocromador Ebert
Un sistema de haz simple de mayor eficiencia en energía puede diseñarse usando la configuración Ebert el cual tiene un bajo número de componentes ópticos. Esto permite disminuir la ganancia del fotomultiplicador a ser usado, cuenta con corrientes de lámpara más bajas que mejoran los niveles de ruido de la línea base. Puede proporcionarse una corrección de fondo en un amplio rango dinámico de manera exacta ya que los problemas de inestabilidad pueden ser superados en la fuente mediante el diseño de lámparas estables y suministros de energía también estables. Este enfoque fue usado con gran éxito en el esquema que se muestra debajo.
Figura 11. Configuración Ebert
Czerny y Turner reemplazaron el espejo grande de Ebert con dos pequeños espejos esféricos montados de manera simétrica, como se muestra a continuación.
Figura 12. Monocromador Czerny-Turner
El montaje Czerny-Turner es popular para los espectrómetros de absorción atómica ya que éste combina economía con una relativa minimización de errores.
5.2
Instrumentos de Doble Haz La luz proveniente de la fuente es dividida en dos haces por medio de un espejo rotatorio plateado hasta la mitad, o por medio de un bifurcador o separador de haces (”splitter”) que es un espejo que transmite sólo un 50%. Éste dirige el haz de manera alternada a través de la llama y a lo largo de una ruta la cual se salta o “bypasea” su paso por la llama a una frecuencia que usualmente es de 50 Hz o mayor. Una vez que han pasado por la llama, los haces son recombinados con un espejo plateado hasta la mitad como se muestra a continuación:
Figura 13. Sistema Óptico Básico de Doble Haz
En el extremo del detector, las señales de salida o respuesta que corresponden a cada haz son divididas, amplificadas separadamente y comparadas en un circuito de puente. La señal out-off-balance (desbalanceada) será luego compensada electrónicamente y convertida en absorbancia. Un espectrómetro de absorción atómica de doble haz no tiene las ventajas de un espectrómetro ultravioleta o visible de doble haz. En un sistema ultravioleta o visible sí se puede medir la real absorbancia ya que el haz de referencia de energía pasa a través de la celda, la cual puede contener de todo, excepto la muestra que está siendo medida. En el sistema de absorción atómica el haz de referencia no pasa a través de la llama. Si el haz de referencia pasara a través de una segunda llama, no podrían garantizarse que las características de ruido sean similares, ya que la llama es un sistema dinámico. El sistema normal de doble haz sólo corrige las variaciones en la intensidad de la fuente primaria y en la respuesta del detector. Éste no corrige ninguna absorción espuria o dispersión en la llama y tampoco corregirá los cambios que ocurre en la lámpara de la fuente primaria, particularmente durante el calentamiento de dicha lámpara. Una desventaja adicional es que se pierde el 50% de la energía incidente. La corrección de fondo puede llevarse a cabo usando un instrumento de doble haz, el cual incorpora la fuente de deuterio o la fuente continua y está colocada tal como se muestra en el diagrama siguiente:
Figura 14. Instrumento de Doble Haz con corrección de fondo
La lámpara de deuterio y la lámpara de cátodo hueco están dispuestas de manera tal que el espejo interruptor o cortador óptico (“chopper”) refleja la luz que proviene de ambas lámparas junto con el haz que proviene de la muestra en pulsos alternantes. El instrumento entonces mide la absorbancia total en el canal de la muestra y el fondo (background) en el canal de referencia, usando sus respectivas configuraciones electrónicas. El canal de fondo es restado del canal de la muestra por el circuito de salida, para darnos la absorbancia corregida. De este modo el instrumento de doble haz opera esencialmente como un instrumento de haz simple, ya que el haz de referencia es inoperativo. Un instrumento de haz simple produce una corrección de fondo al incorporar la fuente continua y el “chopper” juntos con un sistema de lectura propio del “doble haz”. A esto se le conoce algunas veces como un cuasi “doble haz” o un sistema de canal dual. Este tipo de instrumento con corrección de fondo puede corregir solamente las variaciones en la respuesta del detector. En algunos instrumentos es posible la operación de un doble haz real con una corrección de fondo. Tal sistema incorpora cuatro canales electrónicos y un detector y corrige las variaciones tanto en las lámparas de la fuente como en las variaciones electrónicas. Por lo general existe al menos un divisor de haz (“splitter”) estático en
cada canal óptico, y los niveles relativos de ruido son afectados de manera adversa. Los “splitters” de haz estáticos pierden 50% de su energía luminosa incidente, sin embargo, un “chopper” rotatorio en conjunto con lámparas de pulso superan de buena forma este problema. El pulso de la lámpara debe ser más corto que la frecuencia de interrupción del “chopper”, de no ser asI el “chopper” se cruzaría parcialmente en el camino del haz afectando la forma de dicho haz, y por lo tanto la eficiencia de la corrección de fondo y la atomización electrotérmica. Cualquier problema de desfase con las lámparas de pulso son resueltas usando un disco codificador sobre el “chopper” tal como se muestra en la figura de arriba. La práctica usual es incorporar un dispositivo estático en un punto de la ruta óptica, para superar la dificultad de la bifurcación y recombinación del haz.
5.2.1 Óptica Stockdale Este sistema fue diseñado para ofrecer la alta disposición de energía estable de un diseño de haz simple, con una performance libre de variaciones propia de un arreglo de doble haz. La configuración que combina dichas propiedades ha sido llamada la configuración Stockdale. El diagrama óptico se muestra a continuación:
Figura 15. Configuración Stockdale
Para entender la operación de este sistema compare éste con la figura 11. Note que es el mismo, excepto que ahora se han añadido los componentes M4 hasta M8. Cuando se activa la función “auto zero” del instrumento, los espejos M4 y M8 caen dentro de la ruta de la radiación “bypaseando” o saltándose la llama y luego la radiación se desvía por medio de los espejos M5, M6 y M7. La señal de absorbancia se integra por un corto período de tiempo y el valor es almacenado por el microprocesador. Los espejos M4 y M8 salen de la ruta de la radiación, haciendo volver el sistema a un modo de haz simple y permitiendo que el haz pase a través de la llama. La absorbancia entonces es medida de nuevo. La diferencia entre la primera lectura, la medición de referencia y la segunda lectura de la medición de la muestra sin que ninguna muestra sea aspirada, es la medición de la absorbancia de la llama en sí. Esta medición es almacenada como la absorbancia zero. Cuando se hace una corrida de un estándar o bien de una muestra con este tipo de sistema, los espejos M4 y M8 de nuevo son colocados en su respectivo lugar, desviando así el haz hacia el canal de referencia. La absorbancia de referencia es entonces almacenada. Los espejos se elevan saliendo del haz y se mide la absorbancia de la muestra y el resultado del haz de referencia es restado. El resultado de esto es la absorbancia de la llama y de la muestra. La sustracción del zero nos da entonces la verdadera absorbancia de la muestra. Cualquier variación en el instrumento, por ejemplo la salida de las lámparas, afecta tanto la absorbancia de la referencia como la absorbancia de la muestra de manera equitativa, y así son canceladas cuando las dos lecturas se restan, tal que se obtienen resultados completamente libres de variaciones.
SECCIÓN 6: CORRECCIÓN DE FONDO O BACKGROUND Cierta absorción de fondo (background) está presente continuamente en un espectrómetro de llama debido a la presencia de especies como C2, CH y OH, y esto está permitido cuando se analiza la solución blanco. Sin embargo, es necesario eliminar los cambios de absorción que aparecen cuando se introduce la muestra a la celda de átomos lo cual no es causado por los átomos del analito sino por todas las demás especies o por la matriz presente en la muestra. Compare los dos espectros, una de la muestra y otro del blanco en la figura siguiente. La figura 17 es un espectro en la presencia de interferencias de fondo, la figura 16 no.
Figura 16. Espectro de absorción de la muestra y del blanco
En la figura 16, la absorción de fondo tanto para el blanco como para la muestra es la misma, debido a la absorción molecular y a la dispersión de luz. La absorbancia real de la muestra a longitud de onda λ puede determinarse restando la absorbancia sin muestra de la absorbancia con muestra (A2-A1). En la práctica esto se hace ajustando el valor de A1 a cero a fin de producir directamente la lectura del valor real.
En la figura 17, debido a que la absorción de fondo para la muestra es mayor que la absorción para el blanco, si usamos A2-A1 (o llevando A1 al valor cero) no producirá un valor correcto para la absorbancia de la muestra y ésta será sobreestimada. Algo más exacto será estimar el valor de A3 y usar A2 menos A3 para determinar el valor real de la absorbancia.
Figura 17 (a). Espectro de Absorción de la muestra y del blanco en presencia de interferencias de fondo.
Figura 17 (b). Comparación de la absorbancia de la muestra y de la absorbancia medida en presencia de las interferencias de fondo.
6.1
Causas de las Interferenc ias de Fondo 6.1.1 Absorción Molecular La absorción molecular es causada por diversas especies de moléculas que absorben y que se introducen en la celda de átomos, junto con la muestra. Podría aparecer
cierta absorción a la misma longitud de onda del elemento que es analizado ya que las moléculas tienen absorción en un rango mucho más amplio de longitudes de onda que los átomos, y podrían estar presentes en concentraciones mucho mayores que los átomos de la muestra. La interferencia debido a la absorción molecular se vuelve un problema particularmente cuando están presentes grandes concentraciones de haluros de metales alcalinos y de metales alcalino térreos por ejemplo fluoruro de Sodio y cloruro de Potasio.
6.1.2 Absorc ión Atómica Las interferencias podrían ser causadas por diversas especies de átomos que absorben y que están presentes en la muestra los cuales tienen líneas espectrales similares al analito deseado. Por ejemplo, el antimonio en una muestra de Níquel puede interferir con la determinación del Níquel. Esto es por lo general más raro y depende de la concentración del átomo interferente.
6.1.3 Dispersión de la Luz El introducir partículas dentro de la celda de átomos puede causar que la luz se disperse permitiendo que menos cantidad de luz alcance el detector y aparentando por lo tanto un aumento de la absorción. El efecto es similar al humo o al smog, los cuales producen la dispersión de la luz solar disminuyendo la cantidad de luz que llega a la tierra. Las interferencias de fondo no siempre son un problema para todos los sistemas, aunque ciertos tipos de celdas de átomos tales como el horno electrotérmico y el horno de grafito están más propensas que otras. Muy pocas de las moléculas que probablemente estén presentes en una celda de átomos pueden absorber la luz visible o la radiación infrarroja y por lo general solamente la luz ultravioleta es absorbida. La dispersión de la luz es también un efecto suficientemente considerable como para ser un problema en la región ultravioleta del espectro. Por lo tanto las interferencias de fondo únicamente son problemáticas a longitudes de onda por debajo de 350 nm.
SECCION 7: MÉTODOS DE CORRECCIÓN DE FONDO O BACKGROUND Existen al menos cinco maneras de corregir los efectos de la absorción de fondo.
7.1
1.
Método del blanco.
2.
Método de la línea dual.
3.
Método de la lámpara continua.
4.
Método Zeeman
5.
Método Smith-Hieftje
Método del Blanco El primer método que se usa, es correr un blanco en la llama a la línea de resonancia del metal a ser determinado, luego se corre la muestra en sí en la llama. Las dos lecturas son luego restadas, y la diferencia entre ambas es la absorbancia del metal en la muestra. Si el blanco consiste de agua desionizada solamente, entonces no se toma en cuenta las interferencias antes mencionadas.
7.2
Método de la Línea Dual El método de la línea dual o de las dos líneas, requiere que las dos lecturas sean hechas con la misma lámpara de cátodo hueco pero a diferentes longitudes de onda que disten de unos pocos nanómetros entre sí. Este método reside en la asunción de que la dispersión de la luz debida a especies no atómicas es independiente de la longitud de onda cuando se mide dentro de unos pocos nanómetros de la longitud de onda de absorción. La primera medición es la longitud de onda primaria de la absorción del átomo de interés. Esto mide una combinación de absorbancia debida al átomo del elemento de interés y de las especies no atómicas. Se toma una segunda medición a una longitud de onda cercana y que no sea absorbente, lo cual mide solamente la absorbancia de las especies no atómicas. Las restas de ambas lecturas, nos da la absorbancia atómica del elemento de interés. Este método fue desarrollado originalmente para el instrumento de haz simple, sin embargo tiene dos desventajas importantes: 1.
Las dos mediciones de absorbancia se llevan a cabo de manera secuencial y se obtendrá solamente una buena corrección de fondo si la población de las especies no atómicas es la misma para ambas lecturas. Es improbable que esto se cumpla para un sistema de horno de grafito ya que la concentración y la distribución de las partículas del humo que se producen luego de las sucesivas fases de atomización, no necesariamente serán las mismas.
2.
7.3
La línea no absorbente para el elemento usado para la medición de la absorbancia de especies no atómicas, podría no tener una longitud de onda lo suficientemente cercana a la línea principal de resonancia de la absorción atómica. Las dos longitudes de onda deben ser cercanas, para asegurar idénticos coeficientes de absorción para las especies no atómicas.
Método de la Lámpara Contin ua Este método consiste en usar dos lámparas, una lámpara de cátodo hueco del elemento de interés y una lámpara continua de deuterio. La lámpara de cátodo hueco emite un ancho de línea muy estrecho de alrededor de 0.002 nm y la lámpara de arco de deuterio emite aproximadamente en el rango de longitudes de onda de 200-340 nm. La lámpara de arco de deuterio es una descarga eléctrica simple entre dos electrodos, dentro de una atmósfera de gas deuterio. La mayor parte de la radiación emitida se genera a partir de moléculas de deuterio excitadas electrónicamente y por lo tanto tendrán un amplio rango espectral. Cuando la muestra es introducida al instrumento y es atomizada, la señal que llega al detector está bajo la forma de una onda cuadrada y el voltaje alternante que se genera es proporcional a la diferencia de la absorción de los dos haces. La luz que proviene de la lámpara de cátodo hueco es absorbida tanto por la muestra como por el fondo (background), mientras que la luz que proviene de la lámpara de deuterio es absorbida casi completamente por el background. La diferencia en absorción entre los dos haces se debe únicamente a la absorción de la muestra. Una fuente de luz de banda ancha proveniente de una lámpara de deuterio solamente producirá una lectura insignificante para una línea de absorción muy aguda. La figura 18 muestra la luz que llega al detector a través de un monocromador con un paso de banda espectral de 0.2 nm. Incluso si el pico de absorbancia para una línea atómica aguda de un ancho de 0.004 nm es alta a una absorbancia de 0.6, el detector sigue recibiendo luz a todas las longitudes de onda que están dentro del paso de banda del monocromador. La absorbancia medida es 0.012, la cual puede calcularse al multiplicar 0.6 x el ancho de la línea de 0.004 nm y dividiéndolo por el ancho del slit de 0.2 nm. Esto es el 2% del valor del pico de absorbancia y el detector difícilmente nota esta pequeña cantidad de absorbancia producida por la celda de átomos. Un paso de banda más ancho que 0.2 nm reduciría este porcentaje aún más.
Figura 18. Medición de la absorbancia usando una fuente de banda ancha (no hay ninguna señal de background presente)
La figura 19 ilustra qué sucedería si una señal de fondo estuviera realmente presente cuando el elemento de la muestra estuviera siendo absorbido. Una estrecha banda de absorción se superpone a la señal plana de fondo o background. Se puede asumir que a un paso de banda del monocromador o ancho de slit de 0.1 a 1.0 nm, el espectro debido a la absorción de fondo es por lo general plano.
Figura 19. Absorción de Luz proveniente de una Lámpara de Cátodo Hueco.
En la figura 19 la línea sombreada estrecha muestra la luz absorbida proveniente de una lámpara de cátodo hueco. La emisión proveniente de esta lámpara tiene un ancho
de línea mucho más estrecho que la línea de absorción de la muestra y sólo se toma como muestra el centro de la línea de absorción.
Figura 20. Absorción de Luz proveniente de una lámpara de Deuterio.
En la figura 20, la porción sombreada muestra la luz absorbida por una lámpara de deuterio. Puesto que la emisión de la lámpara es mucho más amplia que la absorción de la muestra, se toma un valor promedio de la absorbancia en todo el paso de banda del monocromador. El pico de absorción será mucho más estrecho que el que se muestra, y la absorbancia promedio estará ligeramente por encima de 0.4. La absorbancia de la muestra luego de restar el fondo o background será 0.6 (1.0-0.4). Esta es la señal de absorbancia que sería medida si el espectro fuera escaneado a una resolución muy alta o si no hubiera señal de fondo. El sistema de arco de deuterio es un sistema ampliamente usado, capaz de copar o resolver la mayoría de problemas de corrección de fondo. Algo en lo que falla es la incapacidad de diferenciar entre las señales de fondo que varían de forma aguda. Otra dificultad es que no siempre es fácil de alinear exactamente los dos haces a lo largo del paso de luz, que pasa por la celda de átomos, en un AAS de horno de grafito.
7.4
El Método del efecto Zeeman (10) En este sistema se usa un campo magnético intenso, para hacer más amplia la emisión que proviene de la lámpara o bien el espectro de absorción de la muestra. Esto permite que la señal de absorción sea medida muy cerca de la línea de absorción atómica. El imán puede ser colocado alrededor de la lámpara, o de la celda de átomos, aunque la orientación más comúnmente usada es alrededor de la celda de átomos. Si el imán se coloca alrededor de la lámpara de cátodo hueco, el diseño de la lámpara deberá ser modificado, ya que el campo magnético afecta la operación de la lámpara.
El efecto Zeeman es la división de una línea espectral simple en tres o más componentes cuando se coloca la fuente de radiación en un campo magnético. Esto se produce debido a los diferentes cambios de energía causados por las interacciones entre el campo magnético y el spin de los momentos magnéticos del orbital de un átomo. El efecto Zeeman “normal” aparece cuando un sistema atómico que tiene un número cuántico de spin de valor 1, es visto en dirección perpendicular al campo magnético. La línea espectral simple llega a dividirse en tres componentes que generalmente son simétricos alrededor de la línea espectral original de “no campo” (es decir a la que no le ha aplicado el campo magnético). A continuación se muestra un ejemplo para el magnesio a 285.2 nm.
Figura 21. División Zeeman para el caso “normal”
Los tres componentes consisten de una línea π y dos líneas Δ (llamados – y +) con una relación de intensidades de 1:2:1. Cuando se aplica un campo de 10 kG, los componentes son desplazados en 0.0038 nm desde el componente p. Ejemplos de elementos que muestran el efecto normal son: Be, Mg, Ca, Sr, Ba, Zn, Cd, Pb, Ag, Hg. La gran mayoría de los elementos muestran sin embargo el efecto Zeeman “anómalo”, donde se producen más de tres componentes. Se han usado como ejemplo las líneas
D del Sodio, aquí la línea D1 es divida en cuatro líneas (dos líneas π y dos líneas Δ) y las líneas D2 son divididas en 6 líneas (dos líneas π y cuatro líneas Δ). En general los componentes del efecto Zeeman anómalo son simétricos alrededor de la línea libre de campo, teniendo a las líneas π menos desplazadas que las líneas Δ. Las figuras de abajo muestran las diversas combinaciones para el Sodio y para otros elementos:
Figura 22. División Zeeman en el caso “anómalo”
Para entender como puede utilizarse el efecto Zeeman para la corrección de fondo, considere primero el caso del efecto Zeeman normal. Cuando se aplica el campo magnético a la muestra en estado de vapor, la línea π es polarizada en el plano horizontal y las líneas Δ son polarizadas verticalmente con respecto al campo magnético. Si la luz incidente es polarizada paralela y perpendicularmente de forma alternada, aparecerán entonces muchos efectos (Zeeman). Los efectos de background de banda ancha o de dispersión no están polarizados y ambos haces de luz polarizadas son atenuados por igual. Cuando la luz incidente es polarizada en paralelo al campo, el haz es atenuado por la absorción atómica más cualquier background o fondo. La luz incidente que es polarizada en forma
perpendicular al campo es atenuada solamente por el background, ya que los componentes son desplazados y no atenúan al haz. Por lo tanto, pueden hacerse mediciones alternadas, haciendo lecturas sólo del background que luego se resta de la señal de absorción atómica más la señal de fondo y de aquí se obtiene la lectura de absorción atómica.
Algunas de las ventajas de esta técnica son: Sólo una fuente de luz es usada, eliminando así problemas de alineación. El background es muestreado a la longitud de onda de absorción de la muestra resolviendo el problema de los backgrounds altamente estructurados. Sólo serán problemas las líneas atómicas muy cercanas que están separadas en aproximadamente 0.01 nm. La técnica no está limitada para lámparas que operan en la región ultravioleta. Algunas de las desventajas de esta técnica incluirían: Existe alguna pérdida en la sensibilidad, hasta un 50%, dependiendo del elemento debido a que el componente perpendicular es absorbido parcialmente por la muestra. A altas concentraciones la curva de trabajo puede “caerse” (un efecto conocido como “rollover”). Para evitar este problema es necesario limitar el rango de trabajo para algunos elementos. La técnica es bastante costosa. Se requieren lámparas de cátodo hueco especiales si el imán está colocado alrededor de la lámpara. La dificultad asociada con la colocación de imanes alrededor de la lámpara, es que el campo magnético usado para generar la división Zeeman, interactúa también con los guiones en el cátodo hueco. Esto causa que la emisión que proviene de la lámpara del cátodo hueco tenga mucho ruido, lo cual a su vez introduce cierta imprecisión.
7.5
Método Smith-Hieftj e (11) Para este método se usa una fuente de luz simple y el perfil de respuesta espectral de la lámpara está modificada para medir el background. Esto se logra al operar la lámpara alternadamente a baja y alta corriente. A bajas corrientes de lámpara, se usa la estrecha línea de emisión de la lámpara de cátodo hueco para medir la absorbancia en el pico de la línea de absorción atómica de la muestra. A altas corrientes de lámpara, la autoabsorción causa una ampliación de la respuesta de la lámpara, con un
declive que aparece en el centro del su perfil de emisión. La absorbancia total específica y no específica se mide a bajas corrientes de lámpara, mientras que a altas corrientes de lámpara, la absorbancia medida se debe esencialmente a la absorción del background o absorción no específica.
(1) Corriente baja – mide la absorbancia tanto de la muestra como del background (2) Corriente alta – mide principalmente la absorbancia del del background
Figura 23. Corrección de fondo Smith-Hieftje
La absorbancia de la muestra es la diferencia entre las dos lecturas de absorbancia. A altas corrientes de lámpara, habrá cierta absorción por parte de la muestra y esto conduce a una pérdida de sensibilidad en un factor de dos o tres, dependiendo del elemento.
Las ventajas del sistema Smith-Hieftje son que usa una fuente simple de luz de cualquier longitud de onda, y también la capacidad de corregir la línea de absorción de la muestra. Pueden corregirse así backgrounds altamente estructurados. Las curvas de calibración son lineales hasta una absorbancia de 0.7. La desventaja de esta técnica es que el sistema electrónico no puede ser incorporado de manera económica dentro de un espectrómetro ya existente ya que se requerirían grandes cambios en la electrónica. Otra desventaja es que al analizar elementos más volátiles la vida de la lámpara de cátodo hueco se acorta debido a los altos pulsos de corriente. Ciertas mejoras en este método analítico tales como el pre tratamiento de la muestra, puede reducir a veces la señal de fondo. Existen sin embargo un límite práctico para saber que tanta absorción de fondo puede ser corregida. El uso de los métodos de corrección de fondo reducirán también la precisión en la determinación.
SECCIÓN SECCIÓN 8: ATOMIZADOR DE LLAMA LLA MA 8.1
Nebulización La introducción de la muestra es la parte más importante en cualquier sistema AAS. Por lo general la muestra ingresa a la base de la llama en forma de gotitas líquidas, y están envueltos numerosos pasos antes que el metal de interés abandone la llama en forma de un óxido y eventualmente la muestra sea atomizada. Muchas de las gotas más grandes no se evaporan completamente y pasan a través de la llama sin que hayan sido afectadas, llevándose con ellas al elemento de interés. El residuo que queda detrás de la evaporación no contribuye a la señal de absorción y pasa a través de la llama sin que haya una posterior descomposición de los átomos libres. La función del nebulizador es producir un aerosol. La operación básica implica sacar la muestra a alta velocidad a través de un tubo capilar hasta llevarlo a un fino chorro que forma un aerosol líquido o neblina, antes de que sea inyectado al interior de la llama. Debajo se muestra un diagrama esquemático del nebulizador.
Figura 24.
Nebulizador
El alto flujo de los gases oxidantes tales como aire, óxido nitroso u Oxígeno, sacan la muestra a través del tubo capilar de polietileno o PTFE mediante el efecto Venturi. La alta velocidad de flujo de gas a través del extremo de un capilar crea una caída en la presión, y como la presión en el tubo capilar está por debajo de la presión atmosférica, la solución es forzada a subir por el capilar. La alta velocidad del flujo del gas crea una turbulencia, la cual desmenuza la solución a medida que pasa por el capilar para producir un aerosol. El tamaño de gota posteriormente puede ser reducido al colocar un “impact bead” (bola de impacto) hecho de vidrio borosilicato, de una aleación, o de plástico en frente del orificio. orifici o. El nebulizador permite mezclar la muestra, el oxidante y el combustible así como también proporcionar el aerosol. Algunos instrumentos permiten el ajuste del capilar del nebulizador para permitir la optimización de la toma de muestra y del tamaño de gota. El impact bead también puede ser ajustado. Puede incorporarse un disco de alúmina en el extremo del nebulizador de la cámara del spray (o dispersión) para eliminar los efectos de memoria. El spray que proviene de la solución nebulizada que podría llegar hasta este disco por rebote con el impact bead, será escurrido y finalmente drenado. Sin el disco, se formarán gotitas en la superficie plástica para ser más renebulizadas luego, cuando otras soluciones estén siendo aspiradas produciendo así errores significativos. La entrada de combustible también está unida a la cámara de dispersión o spray el cual se mezcla con el aerosol de la muestra. En algunos sistemas, podría haber “baffles” (tabique central) o “spoilers” (paletas) para que filtren las gotas más grandes. Además se requiere un drenaje que debe ser llenado con líquido para evitar la posibilidad posibilida d de que se regrese y conduzca a una explosión. El nebulizador es solamente eficiente aproximadamente en un 10%, y el 90% restante de la solución va hacia el desecho. La cámara de spray y el nebulizador por lo general son construidos de un material inerte tal como el fluoroplástico. fluoroplásti co. Un nebulizador puede ser construido con una aleación de Platino-Iridio, con una pieza de nariz de Tantalio la cual es resistente al ataque ácido. La eficiencia del nebulizador depende de una variedad de factores, tales como la velocidad de flujo, la tensión superficial, la densidad, la viscosidad, la presión de saturación de vapor, el tamaño de chorro y la geometría del chorro. La eficiencia de la nebulización depende del tipo de solvente. Los solventes tienen propiedades físicas que varían tal como la tensión superficial. A menor tensión superficial superficia l más fácil será romper el líquido en gotas. Los solventes orgánicos producen aerosoles más finos que el agua y así la nebulización es más eficiente. Idealmente la solución a ser aspirada debería ser homogénea ya que puede ocurrir la obturación del capilar si cualquier material sólido ingresase al extremo del capilar. La filtración no siempre es adecuada ya que las fibras del papel de filtro podrían también bloquear el tubito capilar.
8.2
Nebulización Ultrasónica Los nebulizadores ultrasónicos han sido usados para el trabajo en llama, pero son propensos a tener efectos de “memoria”, ya que podrían quedar en la cámara del nebulizador trazas de las muestras antes aspiradas que podrían contaminar a la siguiente muestra. Sin embargo podría haber un aumento en la sensibilidad en comparación de los nebulizadores convencionales.
8.3
Nebulización por “ Termospray” Se alcanza la vaporización casi completa del líquido a la velocidad con que es llevada hasta el vaporizador. La neblina supercalentada que se produce, es transportada en un chorro supersónico de vapor hacia la llama. Las moléculas no volátiles son preferentemente retenidas en las gotitas de la neblina. Éstas están cargadas positivamente o negativamente, de acuerdo a las expectativas estadísticas para un muestreo al azar de un fluido neutro que contiene cargas positivas y negativas discretas.
SECCIÓN 9: QUEMADORES Se han usado muchos tipos de quemadores para diversas combinaciones de gases. El quemador de ranura simple de 5 cm se usa normalmente para la llama óxido nitroso/acetileno aunque también puede usarse aire/acetileno. Se usa un quemador de ranura más grande (10 cm) para la llama aire/acetileno, pero este quemador no debe ser usado para el óxido nitroso/acetileno. El quemador de longitud de paso de luz más grande produce un aumento en la sensibilidad a comparación de los quemadores más cortos de 5 cm en aproximadamente 30 a 50%, dependiendo del ancho de la ranura.
Otro tipo de quemador es el quemador Boling que tiene triple ranura lo cual permite que pasen a través de él hasta un 12% de sólidos disueltos sin que se formen depósitos sólidos en los “jaws” o quijadas (ver Nota de pie). Para algunos elementos la sensibilidad será mejor mientras que para otros la sensibilidad será mejor que la que se produce con un quemador de ranura simple.
Los quemadores de larga longitud de ruta tienen la capacidad de manejar soluciones de muestras más concentradas, similares a los quemadores multiranura. La obturación ocurre en los quemadores de sección transversal cuadrada simples como resultado de la turbulencia inducida en los bordes más bajos de los “jaws”. A mayor velocidad de flujo, mayor turbulencia y eventualmente sucederá que las sales depositadas obturen al quemador. La nucleación de los depósitos de sales es causada por imperfecciones en el fraguado de las superficies de los “jaws”, por eso éstos deberían ser pulidos hasta dejarlos lisos como un espejo. Hay menos probabilidad de obturación de los “jaws” si tienen un moldeado o diseño aerodinámico. Tal quemador se muestra a continuación:
Figura 25. Quemador
El primer tipo de quemador estaba basado en el tipo Bunsen luego era colocado un plato con agujeros en la parte superior al que se le conocía como el quemador Mecker. Cuanto más grueso el plato mejor era la estabilidad de la llama. Tales quemadores son más adecuados para las llamas que tienen baja velocidad de quemado y ocasionalmente se usan para la espectrometría de emisión atómica. Para la espectrometría de fluorescencia se siguen prefiriendo quemadores circulares.
Los quemadores normalmente están hechos de acero inoxidable, aluminio o titanio y están diseñados para disipar el calor. El ancho de la ranura del quemador también es importante ya que éste tiene efecto sobre el enfriamiento y la estabilidad de la llama.
La altura de la llama está normalmente entre 5 -10 cm. A fin de operar la llama de forma segura, la velocidad lineal del flujo de gas a través de la ranura deberá ser aproximadamente tres veces más rápida que la velocidad a la cual puede viajar la llama. A ésta se le conoce como velocidad de quemado, la cual asegura que la llama no pueda regresar y causar una explosión, en la cámara de nebulización. Las velocidades de flujo del volumen de gas son aproximadamente las mismas para cada
llama y están determinadas en gran medida por el flujo del gas oxidante. Dependiendo del tipo de gases usados, los quemadores deberían ser alterados para producir diferentes velocidades de flujo lineal. La velocidad de flujo lineal del gas está determinada por dos factores: La velocidad del flujo de volumen (b) y el área de la ranura (a) de acuerdo a la siguiente relación: Velocidad de flujo = v/a
SECCIÓN 10: ATOMIZACIÓN ELECTROTÉRMICA 10.1
Historia del Horno En 1908 A. S. King del observatorio Mount Wilson, introdujo el primer horno atomizador electrotérmico. Él estudió el espectro neutro del Cesio, Calcio, Cobre, Hierro, Mercurio, Renio, Sodio y Tungsteno, producidos luego de calentar un tubo de grafito a aproximadamente 3000°C en una atmósfera de Hidrógeno. En 1940 R. B. King usó un horno de resistencia dañado hecho de alundum (ver Nota de pie) a 1400°C para Cu, Cd, y Fe. L’vov (12) en 1961 describió el uso del horno de grafito, donde la muestra era puesta sobre un electrodo colocado debajo de un agujero en el tubo. El horno calentado era de 5 a 10 cm de largo y 3 mm de diámetro. La temperatura de atomización se alcanzaba al encender un arco entre el electrodo que contenía la muestra y el tubo de grafito. En una versión modificada de ese sistema, L’vov atomizó la muestra pasando una corriente a través de la porción estrecha del electrodo hacia el tubo de grafito. Este tubo también era calentado, para evitar la recondensación del vapor atómico, tal como se muestra en el siguiente diagrama del horno de L’vov.
4
Figura 26.
4
Horno L’vov
Nota del Traductor : ALUNDUM es una forma artificial del corindón ( Al2O3), obtenida por fusión de bauxita a alta temperatura. Se emplea en la fabricación de ladrillos refractarios, muflas, crisoles, etc. Su etimología proviene de al(umina) + (cor)undum o corindón
Este dispositivo era colocado en una cámara de purga y los electrodos eran colocados en un plato giratorio. L’vov usó también la lámpara de deuterio continua para la corrección de fondo, lo cual ahora se conoce como un espectrómetro de canal dual. Él colocó “liners” o recubrimientos metálicos (ver Nota de pie 5) tales como de Tungsteno o Tantalio en algunos tubos y posteriormente usó tubos de grafito pirolítico. Su tubo era usado como una celda de átomos más que como un vaporizador. En 1968 Woodriff (13) y Massman (14) consideraron este tipo de atomizador como una herramienta analítica de absorción atómica y usaron hornos cerrados, utilizando la propia resistencia de grafito para calentar la muestra. Desde entonces se han descrito en la literatura una variedad de atomizadores electrotérmicos. Estos caen dentro de tres grupos. 1.
Los atomizadores tubulares de grafito de Massman o mini-Massman
2.
Atomizadores abiertos de filamento de grafito o de metal.
3.
Crisoles verticales o hornos de “pocillo”.
En el horno Massman y en su forma comercialmente disponible descrita por Manning y Fernández (15) las dimensiones del tubo eran aproximadamente de 5 cm de longitud y 6.5 mm de diámetro. Ver el diagrama de abajo.
a. b. c. 5
Tubo de grafito Conos de grafito Puerto de ingreso de la muestra
Nota del Traductor: Un “liner” es un recubrimiento metálico que cubre el interior de una superficie, este metal debe ser de un alto punto de fusión. Se usa por lo general para proteger las paredes internas de un horno.
d.
Chaqueta de acero para agua de enfriamiento
Figura 27 Cubeta Massman
Se coloca un agujero de 2 mm en la parte media del tubo de grafito para enviar volúmenes de muestras de 2 - 200 μl. El tubo está sujeto entre los conos extremos de acero para el agua de enfriamiento lo cual hace que las conexiones eléctricas a bajo voltaje estén aisladas de todo el montaje. El dispositivo está sostenido dentro de una caja metálica que contiene atmósfera inerte tal como Argón para evitar la oxidación en el tubo. El ciclo de operación de este sistema consiste en tres fases: La fase de secado a 100°C para eliminar el solvente. La fase de pirólisis o calcinado, a una temperatura más alta para eliminar el material orgánico o de matriz. La tercera fase, para convertir el residuo en un vapor atómico.
El horno de Woodriffs (13) era de una construcción mucho más sólida y operaba a temperatura constante, a diferencia de la secuencia del programa final. Las muestras nítdas eran introducidas en una forma nebulizada por medio una corriente de gas inerte. Las muestras sólidas eran colocadas en una pequeño navecilla de grafito y eran empujadas hacia el atomizador. Todos los atomizadores disponibles comercialmente están basados en el principio de Massman de calentamiento con resistencia. La principal diferencia entre los hornos es la dimensión de los tubos de grafito. Si un horno es grande, tomará mucho tiempo alcanzar su temperatura de operación y será mayor la absorción de fondo relativa, aunque volúmenes de muestra mayores podrían ser analizadas con mejor precisión y relativamente buena sensibilidad. Con un horno pequeño, se obtienen mejores eficiencias de absorción. El tubo de pequeño volumen tiene tiempos de atomización más cortos y mejor sensibilidad absoluta. Sin embargo las limitaciones en cuanto al tamaño del volumen de la muestra indicada producen una pobre sensibilidad y una pobre exactitud. La mayor parte de atomizadores actuales son un punto medio entre estos dos extremos. En 1969 West y Williams construyeron un atomizador de filamento de carbón que parecía ofrecer grandes posibilidades para la absorción atómica y la fluorescencia. El diseño era simple: era una barra de carbón de 40 mm de largo y entre 1 a 2 milímetros de diámetro que tenían como soporte 2 electrodos de acero inoxidable conectados a un suministro de bajo voltaje. El atomizador estaba encerrado en una cámara de vidrio pirex a la cual se le había purgado cm argón. Las ventanas de sílica permitían que la luz de la fuente de radiación pase justo por encima de la superficie de la barra para el caso de la absorción atómica y que pase a 90° para el caso de la fluorescencia. A 0.5 W se requería menos energía. El sistema posteriormente fue simplificado al
reemplazar la cámara de vidrio con un flujo vertical de argón. Debajo se muestra un atomizador típico de filamento de Carbono.
Figura 28. Atomizador de barra de carbono tal como el usado por West
El volumen de la muestra que puede ser cargado sobre la barra de Carbono es de solo 5 μl. Al reemplazar la barra de carbón por un bucle de Platino o de Tungsteno, el dispositivo de navecilla de Tantalio permite que sean inyectados volúmenes más grandes que 20 μl. También se han hecho experimentos usando una trenza de grafito lo cual produce una mayor área superficial para mayores volúmenes de muestra.
Las barras de Carbono y los atomizadores tubulares requieren programas similares de secado, calcinado y de atomización. La sensibilidad del sistema de barra de Carbono se espera que sea menor que la del tipo tubo, ya que el vapor atómico no es forzado a
quedarse en la zona de observación. Sin embargo la sensibilidad analítica es buena ya que la función de suministro de átomos es extremadamente rápida debido a la baja masa térmica y la alta densidad inicial inicial de los átomos. Los límites de detección relativos relativos no mejoran apreciablemente debido al pequeño tamaño de muestra.
10.2 10.2
Compon entes del horno hor no En los hornos de grafito más modernos los materiales que se usan en su construcción son bastante inertes para evitar la posibilidad de contaminación cuando ocurre el calentamiento. Pruebas preliminares de blancos con la cubeta de grafito deberían producir valores bajos de blancos. A continuación se presenta una lista de de niveles de impurezas típicas en el grafito que se usa en la fabricación de la cubeta.
B Ca Cu Fe Mg Si V Ceniza
μg g-1 0.01 0.20 0.10 0.20 0.05 0.20 0.01 2.0
El tubo de grafito en sí y algunos contactos de los soportes están hechos de grafito. Las propiedades del grafito tipo Ringsdorff RWO son las siguientes: Resistencia eléctrica específica Conductividad Conductividad térmica Densidad Maquinabilidad Máximo tamaño de partícula Porosidad (poros > 1 μm como % del volumen total Fuerza flexible Dureza “shore” Coeficiente típico o expansión lineal Punto de fusión A continuación continuación se muestra un un horno de de grafito típico. típico.
8.5Ω mm2m-1 0.35 cal cm-1 sec-1°C-1 1.75g cm-3 excelente 75 μm 13% 400 Kp cm-2 30 4 x 10-6 °C-1 3,500°C
Figura.29. Cabezal el horno
El diseño del atomizador del horno de grafito moderno es el punto medio entre las propiedades teóricamente deseables y las restricciones colocadas al diseñador debidas a los componentes mecánicos y eléctricos de los que se dispone. Por ejemplo para obtener sensibilidades altas y pocas interferencias, sería beneficioso producir las más altas velocidades de calentamiento posibles en todo lo largo de la cubeta de grafito. Sin embargo para evitar el sobrecalentamiento de los contactos eléctricos y mecánicos del atomizador electrotérmico, es necesario enfriar con agua los contactos de los extremos. Esto a la vez conduce a un gradiente de temperatura a lo largo de toda la longitud de la cubeta de grafito lo cual aumenta la posibilidad de que haya problemas de condensación e interferencias interferencias químicas.
10.2.1 Ambiente del horno de grafito t otalmente cerrado En la figura de abajo se muestra un cabezal de grafito típico.
Figura 30.
Cabezal de horno de grafito
Puede observarse claramente el contacto de la derecha. Cuando el horno se sella al girar la manija o palanca de inmovilización, habrá un entorno total de grafito alrededor de la cubeta de grafito. La ventaja principal de este tipo de diseños es que se mantiene un ambiente no corrosivo.
10.2.2 Diseño Final del Horno Cerrado La principal ventaja de la configuración del diseño del horno cerrado es que el gas puede ser introducido a velocidades de flujo controladas desde los extremos de la cubeta, hacia el centro de la cubeta y hacia fuera a través del puerto de inyección. Las diversas velocidades de flujo del gas pueden controlarse vía software en la computadora del instrumento. Las opciones disponibles del flujo de gas con este tipo de sistema en particular son las siguientes; (1) (2) (3) (4)
0ml min-1 100ml min -1 200ml min -1 300ml min -1
Las ventajas asociadas con esto son: Un flujo de gas inerte de 300 ml min -1 durante la fase de secado del ciclo del horno, permite que la misma gotita sea secada rápida y suavemente. Un flujo de gas inerte de 300ml min -1 durante la fase de carbonización o de calcinado, permite una eficiente eliminación del humo o de la matriz.
Durante la fase de atomización, el flujo de gas normalmente se detiene, sin embargo podría ser útil reducir la sensibilidad durante la fase de atomización para ciertas aplicaciones y podrían usarse velocidades de flujo de entre 100 a 300 ml min -1.
Pueden usarse otros gases alternativos en cualquier fase del ciclo del horno. El tipo de gas lo elige el usuario. Un ejemplo típico podría usar oxígeno durante la fase de carbonización. En la determinación de muestras que contienen altas concentraciones de materia orgánica tales como sangre o plasma, podría depositarse un residuo carbonáceo dentro de la cubeta. Esto puede reducirse usando la calcinación con oxígeno durante el ciclo del horno. Cuando se usa oxígeno o aire en este ciclo, a esta fase se le llama de manera más correcta como “fase de calcinación”. Después de esta fase se recomienda adicionar una fase extra solamente con gas inerte para eliminar el oxígeno de la cubeta antes de la fase de atomización.
10.2.3 Control de temperatura El objetivo principal de cualquier atomizador electrotérmico que se diseñe es producir la mejor sensibilidad, es decir la medición del pico más alto para la concentración de un analito dado en el tubo de grafito. La máxima absorbancia del pico de atomización, y por lo tanto la mejor sensibilidad, se determina por dos procesos opuestos, la velocidad de la producción de átomos en el tubo de grafito y la velocidad de la pérdida de átomos fuera del mismo tubo. La velocidad de la pérdida de los átomos está sujeta a los parámetros del tubo, tal como la geometría y la porosidad y las consideraciones del diseño del cabezal del horno, tales como el enfriamiento y el flujo del gas inerte. Ahora se sabe que las velocidades de producción de átomos son directamente proporcionales a la velocidad del aumento de temperatura del horno de grafito. Si la velocidad de la temperatura pudiese ser mejorada, habiéndose optimizado todos los demás parámetros, entonces la sensibilidad analítica también mejorará. Esto fue demostrado por L’vov quien predijo que la muestra tendría que ser atomizada en 0.1 segundo o menos para que se alcance la máxima sensibilidad.
Figura 31. El efecto de la temperatura final sobre el tiempo de calentamiento de una cubeta usando un control de retroalimentación de voltaje.
En los primeros diseños del horno de Massman el método convencional para controlar la temperatura del tubo era calcular el voltaje necesario para mantener una temperatura dada y luego aplicar ese voltaje a los extremos del tubo de grafito. La temperatura del tubo se incrementaría velozmente hacia la temperatura establecida tal como se muestra en la figura 31. Sin embargo el método produce un aumento en el tiempo lo cual lo hace muy lento para que se alcance la máxima sensibilidad. Los elementos volátiles como el Pb, Cd, Zn, Hg, Te, etc. son una excepción, donde puede establecerse una alta temperatura de atomización para producir un aumento de temperatura de tiempo elevado. En los atomizadores electrotérmicos de temperatura controlada, la temperatura del tubo se mide mediante un sensor y éste se retroalimenta hacia el suministro de energía y se usa para controlar el voltaje aplicado a través del tubo. A esto se le llama un “sistema de control proporcional”, ya que la energía aplicada está en función de la diferencia entre la temperatura real y la temperatura establecida. Los sistemas de control que se usan en los instrumentos actuales se originaron a partir del trabajo de Lundgren y colaboradores (17) quien en 1974 propuso un método de medición directa de la temperatura de la cubeta y de un control por retroalimentación, en el cual se aplica o se suministra la máxima salida de energía a través del tubo de grafito hasta que se alcanza la temperatura deseada. La energía luego se baja hasta un nivel suficiente para mantener la temperatura deseada por el resto de la fase de la atomización. El calentamiento por temperatura controlada produce una velocidad inicial muy rápida del aumento de temperatura conduciendo de esta manera a la mejora de la sensibilidad.
La velocidad del aumento de temperatura es casi constante, independiente de la temperatura final que se haya establecido tal como se ilustra a continuación.
Figura 32. El efecto de la temperatura final sobre el aumento del tiempo de una cubeta que usa un control de temperatura por retroalimentación. Cuando disminuye el suministro de energía, la velocidad inicial del aumento de temperatura del horno de grafito excede los de 2500°C.seg -1 lo cual es consecuencia de usar un pequeño tubo de grafito y un control de temperatura muy exacto. Como resultado de la producción más rápida y más eficiente de átomos, puede establecerse temperaturas finales apreciablemente menores para obtener la misma sensibilidad que se obtendría cuando se opera con un modo de control de voltaje convencional tal como se muestra debajo.
Figura 33. Sensibilidad del pPomo bajo condiciones de control de voltaje y temperatura. Para alcanzar una absorbancia de altura de pico de 0.6 A, el control de voltaje requiere que la temperatura haya sido preestablecida a 2600°C mientras que el calentamiento a una temperatura controlada de sólo 1100°C produce el mismo resultado. Cuando se aplica suficiente temperatura de atomización, la señal analítica se mantiene constante a lo largo de un amplio rango de temperaturas. Asumiendo que se usa una temperatura de atomización que está ubicada en la región de meseta, las pequeñas fluctuaciones de temperatura no afectarán el resultado analítico. A continuación se resumen los beneficios del control de temperatura:
Se pueden obtener sensibilidades analíticas mayores a comparación con del control de voltaje. Pueden usarse temperaturas de atomización más bajas. Hay menor variación de la temperatura final que se alcanza de una cubeta a otra y durante el tiempo de vida de cada cubeta. Tiempos más rápidos de elevación de temperatura y de formación de átomos hace posible usar tiempos de atomización más cortos. Ya que velocidades de calentamiento mayores que 2000°C seg -1 son normales, es necesario, para obtener un beneficio completo del control de temperatura, que seamos capaces de medir la temperatura real de la cubeta en tiempo real. Se sospechará por lo tanto de (es decir no serán muy fiables) los sistemas de control de temperatura que se basan en termocuplas, o predicciones por computadora que sirven para estimar las temperaturas. El único método que tiene ambas características en la respuesta y la exactitud requerida para medir la temperatura, es uno que se basa en técnicas ópticas tal como un pirómetro. Un fotodiodo de sílice representa un dispositivo tal, y que tiene
un tiempo de respuesta extremadamente veloz y es capaz de detectar y controlar temperaturas en el rango de 600-3000°C. Un esquema tal se muestra a continuación.
Figura 34. Esquema del horno de grafito. La radiación proveniente de la cubeta de grafito es enfocado por medio de una lente hacia el extremo de una fibra óptica, la cual se coloca por debajo de la cubeta de grafito. La lente se mantiene libre de polvo, al pasar sobre la lente el gas que se usa para mantener la atmósfera inerte alrededor del tubo de grafito. La fibra óptica está directamente unida al fotodiodo de sílice el cual está ubicado dentro del suministro o fuente de energía. Esto sirve para dos cosas:
El fotodiodo es sensible a la temperatura. El sacarlo de los alrededores del tubo caliente y de su efecto de calentamiento cíclico significará que luego no tendrán que hacerse ajustes continuos para eliminar las variaciones de respuesta. Cuando se coloca cerca de los conductores de energía en el cabezal puede ser afectado por el aumento de la señal de ruido. Si lo colocamos más lejos de los cables de energía se soluciona este problema.
10.2.4 Elección de los materiales de la cubeta Los parámetros más importantes que debe tener un material que sea adecuado para la cubeta se resumen a continuación: Buena conductividad térmica y eléctrica. Que sea químicamente inerte.
Niveles muy bajos de impurezas metálicas. Baja porosidad. Buena maquinabilidad. Baja expansión térmica y alta rigidez. Alto punto de fusión.
De los diversos materiales disponibles, el grafito es el que más se aproxima a esta especificación. El grafito se fabrica a partir de materiales tales como el carbón y el coque de petróleo, que han sido molidos y mezclados con pegamentos tales como alquitrán, brea y resinas fenólicas. Se hacen extrusiones del material y luego se calientan lentamente hasta 1300°C aproximadamente en una atmósfera inerte. El material de unión está formando por lo tanto un material de carbón sólido “amorfo”, el cual es duro y quebradizo. Para obtener grafito se requiere un proceso de “electrografitizado” final donde el carbón amorfo es calentado por medio de una resistencia hasta aproximadamente 3000°C, formando el verdadero material de grafito que es el que tiene las propiedades arriba mencionadas. Las cubetas hechas a partir del grafito normal reciben el nombre de “cubetas de electrografito”.
Fig. 35. Estructura pirolítica de un sustrato de grafito.
Aunque el electrografito es adecuado como material del tubo, existen algunas limitaciones en su uso. Las más importantes de ellas son la porosidad y la reactividad del grafito normal, caracterizada por la formación de carburos con ciertos elementos.
Se ha encontrado que el recubrimiento con grafito pirolítico soluciona muchos aspectos de estos problemas. Lersmacher y colaboradores (18) de el Philips Forschungslaboratorium en Aachen, desarrollaron un método para preparar tales recubrimientos en 1979. Este método desde entonces se ha usado a escala comercial por el principal fabricante de materiales de grafito. La capa de grafito pirolítica se forma sobre el sustrato de la cubeta de electrografito por el método de recubrimiento “hot wall”. La pieza a ser recubierta se coloca en una cámara calentada que contiene una atmósfera de hidrocarburos tales como metano, a temperaturas de hasta 2500°C. Tales condiciones conducen a la formación de una capa de grafito pirolítico el cual no puede exceder en unos cuantos milímetros de grosor debido a diversos impedimentos. Por lo general el grosor normal de recubrimiento está en el rango de 30-50 μm. La figura 35 muestra una foto micrografía de la estructura superficial del grafito pirolítico que está recubriendo un sustrato de electrografito. Se puede demostrar fácilmente el contraste entre la estructura altamente ordenada del recubrimiento y la naturaleza porosa y azarosa del sustrato. Los tubos que se han recubierto mediante esta técnica producen una significativa mejora en su performance a comparación de los tubos de electrografito. El grafito pirolítico como material tiene muchas propiedades deseables por ejemplo la baja permeabilidad al gas y la buena resistencia al ataque químico. L´vov ha demostrado que las pérdidas del vapor son alrededor del 33% menos con un tubo recubierto pirolíticamente, mejorando así el tiempo de residencia de los átomos en el tubo y aumentando la sensibilidad analítica. Este material también resiste a la oxidación más que el electrografito en un factor de 10 veces aproximadamente. Se minimiza la formación de carburos debido a su resistencia al ataque químico y así pueden determinarse elementos tales como V, Mo, Ti, W, Si, etc. con una gran mejora en la sensibilidad analítica y mucho menor efectos de memoria. Los tubos recubiertos mediante esta técnica sin embargo no han superado completamente todos los problemas que existen debido a que la capa pirolítica se adelgaza gradualmente ya que el material se sublima, hasta que finalmente el sustrato electrografito queda expuesto. En este punto la sensibilidad analítica decaerá rápidamente hasta que alcanza una performance similar a la de un tubo electrografito no recubierto. Los tubos recubiertos podrían tener una duración significativamente mayor pero la performance analítica comienza a deteriorarse antes de que el tubo realmente se rompa. En 1984 la Philips Analytical introdujo un nuevo tipo de tubo de horno el cual estaba hecho completamente de grafito pirolítico. Estos tubos estaban hechos usando una modificación de la tecnología original de recubrimiento que fue desarrollada por Lersmacher y colaboradores (18). Debajo se muestra una foto micrografía de una sección transversal de este tipo de tubo:
Figura 36. Sección Transversal de un T. P. C.
La estructura de las paredes del tubo consiste en muchos cristalitos cónicos los cuales normalmente forman radios desde la superficie más interna de la pared. Dichos tubos o Cubetas Totalmente Pirografitas (T.P.C.) tienen performance superiores a comparación de los tubos recubiertos pirolíticamente. Ellos (Philips Analytical) hacen uso de otros beneficios del grafito pirolítico que no pueden ser completamente utilizados, por medio de un recubrimiento delgado en el sustrato electrografito. El grafito pirolítico a comparación de diversos materiales, tiene la más alta proporción fuerza/peso sobre un rango de temperaturas de hasta 3000°C y es aproximadamente 5 a 10 veces mejor que el electrografito. Una ventaja de tener una alta proporción fuerza/peso, es que los tubos pueden hacerse de un menor grosor de pared. Este menor grosor de pared da lugar a una menor masa térmica, lo cual a su vez significa que los T.P.C. han aumentado las velocidades de calentamiento a comparación de los tubos recubiertos pirolíticamente o los tubos electrografitos. La más alta velocidad de calentamiento ocurre a menores temperaturas. Por ejemplo se midió una velocidad de calentamiento de 4000°C seg -1 para un T.P.C. entre 400-600°C. El grafito pirolítico es un material altamente anisotrópico, es decir las propiedades físicas en una dirección del cristal son bastante diferentes a aquellas que se obtienen a un ángulo recto a esa dirección. En la dirección paralela a la superficie del tubo, el grafito pirolítico es uno de los mejores conductores de calor. En la dirección vertical a la superficie, la conductividad calorífica es menor en un factor de 300. Estas propiedades significan que el calentamiento a lo largo del tubo es rápido e isotérmico para longitudes mayores. La conducción del calor hacia el exterior es pobre tal que las capas más superficiales actúan como aislantes. Esto reduce la pérdida de calor y la
energía eléctrica disipada al alcanzar cualquier temperatura dada. El resultado final es un tubo de horno que produce performances más consistentes en un tiempo de vida mayor.
10.2.5 Métodos para eliminar interferencias Existen al menos tres maneras de eliminar interferencias. Estas son la modificación de matriz, la atomización en plataforma y la atomización en sonda.
10.2.5.1 Modificación de matri z Un modificador de matriz permite emplear mayores temperaturas de calcinación para eliminar algunas de las matrices de fondo. Esto se logra al combinarlas con el elemento de interés para producir un compuesto más estable, el cual puede ser calcinado a una temperatura mayor. Para evitar pérdida de la muestra durante la fase de calcinación en una corrida de atomización en horno de grafito, se añade una sal a la muestra. Su función es convertir el elemento de interés en una sal más estable para evitar pérdidas. Normalmente las sales de nitrato son menos volátiles que las sales de cloruros y es una ventaja usar ácido nítrico en la digestión de la muestra antes que usar ácido clorhídrico. Algunas sales de cloruro, de Arsénico, Cadmio y Mercurio son volátiles y se pierden durante la etapa de calcinación. No es deseable tener una temperatura de calcinación menor ya que la señal de fondo puede aumentar. Para evitar la pérdida de compuestos volátiles, añadir ácido nítrico y hacer ebullir el HCl hasta que se vaya. El Arsénico, el Selenio y el Teluro también pueden ser estabilizados añadiendo iones níquel. Por ejemplo, los iones níquel añadidos al Arsénico forman un arsenuro de Níquel no volátil. El Cadmio podría ser estabilizado añadiendo fosfato de amonio al 2%. El Mercurio también podría estabilizarse añadiendo iones sulfuros para formar sulfuro de Mercurio. La volatilidad relativa del cloruro es una desventaja en la AAS con horno, aunque en la AAS con llama es una ventaja ya que la disociación de los átomos en la llama es acelerada. Algunos modificadores de matriz se combinan con sales que son no volátiles y producen más productos volátiles, eliminando así la matriz interferente. Si está presente una alta concentración de cloruro de Sodio que causa señal background puede añadirse una solución de nitrato de amonio al 50% a la muestra. Esto tiene el siguiente efecto: NaCl ebulle a 1413°C
+
NH4NO3 se descompone a 210°C
NaNO3 + se descompone a 380°C
NH4Cl sublima a 335°C
10.2.5.2
Atomización en Plataform a
El aspecto simple más importante del control de interferencias es alcanzar la atomización isotérmica de la muestra. Ese es el concepto original de la atomización electrotérmica descrito por L’vov en 1961. El concepto de atomización en plataforma fue descrito inicialmente por L’vov en 1978. La atomización en plataforma puede aproximarse a la atomización isotérmica al retardar la atomización de las muestras de una plataforma de grafito, dependiendo del tipo de matriz y del elemento. Una ventaja de la atomización en plataforma es la reducción de la señal de fondo debido a la mayor descomposición térmica de las moléculas en fase de vapor, a diferencia de la atomización en las paredes del tubo. Una plataforma es una delgada pieza de forma rectangular de grafito, normalmente hecha a partir de grafito pirolítico la cual se coloca en el centro de la cubeta de grafito convencional. La plataforma original tocaba las paredes sólo en cada borde y por eso las plataformas sólo podían ser calentadas por la radiación de las paredes de la cubeta ya que el calentamiento por conducción era mínimo. Plataformas más recientes caben dentro de una ranura en los extremos de la cubeta de grafito y no quedan en contacto físico directo con la porción central caliente de la cubeta. El calentamiento por conducción de la cubeta ha sido totalmente eliminado. La plataforma se calienta por la radiación de la pared del tubo y la temperatura de la plataforma se retrasa inicialmente y queda por detrás de la temperatura de las paredes del tubo en varios cientos de grados centígrados. La plataforma toma muchos segundos más en alcanzar una temperatura constante la cual podría ser menor que la temperatura de la pared. La relación entre la pared del tubo, la fase gaseosa y las temperaturas de la plataforma se muestra en la gráfica siguiente, junto con un típico perfil de pico de los elementos más volátiles.
Fig. 37. Perfiles de temperatura-tempo para la atomización en plataforma.
En esta figura la temperatura real a la cual ocurre la atomización se muestra como “A” y para la atomización de la pared del tubo esta ocurre en el tiempo “X”. Son evidentes en los gráficos la naturaleza no isotérmica de la temperatura de la pared del tubo y la menor temperatura de la fase gaseosa en el tiempo “X”. Cuando se emplea una plataforma la atomización de los elementos volátiles sigue ocurriendo a la misma temperatura “A”, pero el tiempo de aparición es mucho después en el tiempo “Y”. En el tiempo “Y” puede verse que la temperatura de la pared del tubo ha sido estable por un período de tiempo, y lo más importante, la fase de gas está más caliente que la plataforma. Bajo estas condiciones, el analito atomizado y la matriz no se condensan y por eso se minimizan las interferencias de la fase vapor.
10.2.5.3
Atomización en Sonda
La atomización isotérmica puede llevarse a cabo usando una sonda de atomización en el AAS-ETA. La autosonda consiste de un soporte para el montado, un motor y la sonda de grafito sobre la cual se inyecta la muestra. Por lo general las temperaturas requeridas son mayores que las que se requiere en el AAS de horno de grafito. Por ejemplo, se ha usado una temperatura de secado de 250-300°C para secar una muestra acuosa de 10 μm en 10-20 segundos. Las temperaturas de calcinación o pirólisis pueden determinarse haciendo un “gráfico o ploteo de calcinación” en la matriz de una muestra en particular. Los siguientes 6 pasos son requeridos para la atomización en sonda de grafito. La muestra es inyectada automáticamente sobre la sonda la cual está dentro de la cubeta de grafito. La muestra es secada y calcinada o pirolizada.
Llevamos luego el espectrómetro a auto zero. Después del autozero, se saca la sonda de la cubeta de grafito y el horno se calienta hasta las temperaturas de atomización preestablecidas. Cuando la temperatura de la cubeta se ha estabilizado, se inserta automáticamente la sonda en el ambiente de temperatura constante para la atomización isotérmica y la medición analítica. Finalmente, se inicia una etapa de limpieza de la sonda y la cubeta. El procedimiento completo está automatizado. En la figura 38 se muestra el proceso mediante un diagrama.
Fig. 38. Procedimiento para la atomización en sonda
SECCIÓN 11: AUTOMUESTREADOR DEL HORNO A fin de alcanzar óptima performance y sensibilidad en un sistema de horno de grafito, es necesario usar un automuestreador. Son dos las ventajas de un automuestreador de horno (que esté controlado con un microprocesador) que incorpora una jeringa de precisión con una rutina de lavado sofisticada, a comparación de un sistema de micropipeta operado manualmente.
1.
El usuario puede establecer ciclos de horno para el análisis y dejar el horno corriendo automáticamente las muestras por períodos prolongados.
2.
Hay una aparente mejora de la precisión y disminución de la contaminación cruzada.
Para proporcionar flexibilidad en el uso, un automuestreador de horno por lo general ofrece las siguientes características: Cuenta con una diseño de carrusel para correr las soluciones de lavado, modificador de matriz, blanco/diluyente, solución patrón y posiciones hasta para 50 muestras. Las muestras pueden ser diluidas o reconcentradas. Recalibraciones programables para cada análisis elemental. Volúmenes de inyección programables de 1 hasta 70 μm . Lavado automático de la punta de la pipeta. Hasta 100 replicas por muestra. Permite una atomización por sonda para proceder de manera automática Algunos sistemas preparan estándares a partir de soluciones madres o “master” los cuales son luego diluidas con un blanco/diluyente, y también aceptarán estándares preparados manualmente de una forma individual. La modificación de matriz también podría ser hecha de manera automática. Una ventaja de un automuestreador es que la inyección de la muestra puede ser reproducible una vez que se ha determinado la posición correcta de la punta de la pipeta. Esto es muy importante para alcanzar la precisión. La contaminación cruzada siempre es un problema potencial con los automuestreadores del horno, debido a que el mismo capilar es usado para inyectar las soluciones de diferentes concentraciones y diferentes composiciones.
SECCIÓN 12: SISTEMA ELECTRÓNICO En un espectrómetro AA típico, el electrodo de cátodo hueco se pone en marcha mediante un suministro de energía estabilizado el cual es modulado, tal que la salida de la luz de la lámpara tiene pulsos de 200 Hz. La corriente de lámpara puede ser ajustada para proporcionar el rendimiento requerido. El circuito decodificador detecta la luz modulada que está bajo la forma de una señal AC y que se separa de cualquier luz extraviada que se manifiesta como una señal DC. En el modo de corrección de fondo, la lámpara de deuterio se enciende durante el período “oscuro” de la lámpara de cátodo hueco. La llama es controlada y encendida mediante el control lógico del gas, el cual opera diversas válvulas solenoides que seleccionan los gases requeridos y las velocidades de flujo. La radiación es detectada por el fotomultiplicador y convertida en una señal eléctrica y la ganancia (“gain”) se controla ajustando la salida del voltaje del suministro de energía de tensión extra alta (EHT). El medidor de energía indica la energía de la luz que pasa por el sistema lo cual es útil cuando se optimiza la posición de la lámpara o se establece la operación del monocromador para obtener la intensidad máxima. A fin de convertir la intensidad en absorbancia, es necesario usar un amplificador logarítmico. Éste está bajo el control de la función auto zero lo cual permite que una lectura de absorbancia de cero sea seleccionada para cualquier nivel de luz en particular.
SECCIÓN 13: SEÑAL Y PROCESAMIENTO DE DATOS Antes de que se lleve a cabo cualquier procesamiento de datos, primero debe detectarse una señal y luego es procesada para hacerla adecuada para su aceptación mediante un microcomputador. La señal debe ser generada de tal manera que contenga información suficiente sobre la señal o señales de absorbancia para permitir obtener resultados de la exactitud deseada. Por ejemplo sería de poco interés diseñar un programa de corrección de curvas de alta exactitud para el caso de la atomización electrotérmica si la resolución del lector de picos fuera relativamente baja. Como con todo los sistemas de procesamiento de datos la calidad de los resultados producidos por un instrumento de absorción atómica, será sólo tan bueno como lo sea la parte más débil de la cadena del procesador señal/datos. Así pues el punto de partida debería ser el diseño del espectrómetro en si. Un objetivo principal es reducir el nivel de ruido de la señal, para mejorar la calidad de los datos crudos o no procesados. A continuación enumeramos los principales tipos de ruidos. El ruido de disparo o ruido Shot, el cual es la relación señal/ruido y es proporcional a la intensidad. El ruido de llama, el cual es detectado como absorción o emisión. El ruido por concentración. El ruido a partir de otros componentes, es decir lámpara, parte electrónica. El sistema óptico debería transmitir tanta energía como sea posible para que se produzca un mínimo ruido shot, etc. Esto sugiere que haya un sistema óptico relativamente simple que tenga tan pocos componentes (particularmente las superficies de reflexión) como sea posible. El sistema también debería asegurar que la más pequeña cantidad de luz proveniente de las paredes incandescentes de un horno de grafito alcance al detector. La parte electrónica decodificadora podrá entonces separar más fácilmente dicha contribución por la emisión modulada “deseada”, a partir de la lámpara de cátodo hueco o la lámpara de descarga sin electrodo.
PARTE III
METODOLOGÍA
SECCIÓN 14: AAS POR LLAMA
14.1
Optimización de los Parámetros de Operación Los parámetros que afectarán tanto la precisión como la sensibilidad son el paso de banda, la corriente de lámpara, la altura del quemador, la alineación del quemador, el flujo de combustible, el tipo de llama, y el ajuste del impact bead. El uso de la corrección de fondo y la elección del tiempo de integración también afectarán la precisión. Puede modificarse la sensibilidad analítica mediante el uso de líneas de absorción alternativas y desconectando el impact bead. Algunas interferencias que producen la reducción de la sensibilidad pueden superarse mediante el uso de un buffer apropiado.
14.2
Sensibilidad La performance analítica de un espectrómetro de absorción atómica por lo general se expresa bajo la forma de una lista de elementos con sus sensibilidades asociadas y sus límites de detección. En absorción atómica el término “sensibilidad” tiene un significado especial y se define como aquella concentración del elemento en ppm (o μg ml-1 o mg l1 ) en solución acuosa, que produce una absorbancia de 0.0044 que es igual al 1% de la absorción de la radiación transmitida. Conocer el valor de la sensibilidad para un elemento en particular es útil, porque a partir de ésta se puede calcular el rango de concentraciones óptima para ese elemento. Normalmente esta concentración óptima va en el rango entre 20 y 200 veces el valor de la sensibilidad. Por ejemplo para el magnesio que tiene una sensibilidad de 0.003 mg l-1, el rango óptimo es de 0.06-0.6 mg/l. Ésta también es útil para determinar si los parámetros del instrumento han sido o no ajustados para optimizar totalmente el instrumento, y como una verificación para determinar que tan bien han sido preparados los diversos estándares. A fin de optimizar la exactitud del análisis se requiere un rango de absorbancia entre 0.1-0.8 A. A lecturas bajas de absorbancia, la exactitud de la lectura es limitada, mientras que a valores altos de absorbancia, factores tales como la luz dispersa podrían causar considerables desviaciones de la ley de Beer, con la consecuente pérdida de la exactitud. Las sensibilidades son verificadas al aspirar una solución acuosa recién preparada del elemento, para producir una lectura de absorbancia de aproximadamente 0.1. Los parámetros instrumentales luego son ajustados para obtener la sensibilidad óptima o la más alta deflexión. La concentración del elemento en mg l-1 que produce una absorbancia de 0.0044 podría entonces calcularse fácilmente.
14.3
Límit es de Detección El límite de detección es una función estadística que toma en cuenta los niveles de blanco, la sensibilidad y la relación señal/ruido. El límite de detección se define como
aquella concentración del elemento en mg l -1 que produce una lectura igual a tres veces la desviación estándar de una señal medida cercana de la señal del blanco. La desviación estándar se calcula usando al menos 10 lecturas secuenciales. Al hacer uso de las opciones de expansión de escala contenidas en los instrumentos, pueden magnificarse una señal pequeña para obtener proporciones de mejor lectura. Sin embargo al expandir la escala, también se magnificará pequeñas fluctuaciones al azar o también el ruido. El límite de detección es una medida estadística de su concentración. Estos efectos aparecen si un elemento tiene un medidor o una pantalla de lectura digital. En los instrumentos que incorporan integración de la señal, el efecto relativo del ruido puede reducirse y se pueden mejorar las relaciones señal/ruido mediante el uso de largos tiempos de integración por ejemplo de 0.1 a 100 segundos. El ruido que es evidente en la expansión de escala se origina de las pequeñas inestabilidades en la operación de la lámpara, el sistema nebulizador, el amplificador, la llama, el detector fotomultiplicador y el sistema de lectura. Los límites de detección dependen del ruido, o más específicamente, de la relación señal/ruido y por eso están en función de la performance de los diversos componentes del instrumento. La sensibilidad tal como se definió líneas arriba no depende del ruido y es una función directa solo de los procesos de atomización, nebulización y llama.
14.4
Precisión y Exactitud 14.4.1 Factores que tienen efecto sob re la señal de salida Varios efectos contribuyen a la incertidumbre en la señal final que se muestra en cualquier sistema de lectura. Las fuentes de error son: Fluctuaciones en la señal de emisión de la lámpara de cátodo hueco. “Ruido shot” del fotomultiplicador. Ruido electrónico (Johnson). Fluctuaciones de la llama “Ruido” de la nebulización y atomización. Inexactitudes del sistema de lectura Errores aleatorios y sistemáticos incurridos en la preparación de la muestra. Interferencias Inter.-elementos Algunos de los factores están bajo control del operador. Las fuentes de error en la preparación de la muestra deberánn ser reconocidas claramente y las interferencias deberán ser controladas. En el diseño del equipo deben ser tomados en cuenta otros factores. Por lo general se encuentra que las fluctuaciones de la llama dan lugar al mayor grado de la incertidumbre en la señal. Esto se deriva de las variaciones en las velocidades del flujo del oxidante y del combustible, y del ruido proveniente de la nebulización y la atomización inconsistente de las muestras.
Si la emisión de la lámpara de cátodo hueco es lo suficientemente alta en intensidad, ésta exhibirá bajas características de ruido. Actualmente las lámparas de cátodo hueco son satisfactorias para la mayoría de elementos, aunque siempre se siguen haciendo trabajos para mejorar el brillo y la estabilidad de las lámparas para elementos particulares. Para elementos tales como Arsénico y Selenio, el uso de las lámparas de descarga sin electrodos podría mejorar la señal de la relación señal/ruido. El Cobre es un ejemplo de un elemento que es atomizado de manera tan eficiente en la llama que el “ruido shot” del fotomultiplicador (que es usualmente pequeño comparado con el ruido de llama) es el factor limitante. Sin embargo esta condición es rara. El “ruido” Johnson o electrónico también es insignificante en los amplificadores modernos y en los detectores de fotomultiplicador. Además de las pequeñas fluctuaciones de alta frecuencia o “ruido” en la señal de la lámpara, la señal media bien podría variar. Tal variación siempre que sea menor a aproximadamente 5% por hora, no afectará notablemente la precisión o la exactitud del análisis. La magnitud de la variación puede tomarse en cuenta cuando se calculan resultados, o al corregir la variación mediante el ajuste de la amplificación tanto como sea necesario. Un sistema de doble haz hace esta corrección automática y continuamente. Las inexactitudes en el sistema de lectura podrían ser un factor limitante bajo ciertas circunstancias. Los sistemas de lectura con medidor tienen una linealidad relativamente baja y estrechas características de banda muerta. Los sistemas registradores de calidad y de lectura digital muestran una buena linealidad, así como también una estrecha banda muerta. Por lo general las fluctuaciones de llama son las principales fuentes de incertidumbre en la señal pero cuando llegan a ser muy bajas, la fuente del mayor ruido podría ser el sistema de lectura. Por eso es indispensable gastar algo de tiempo optimizando las condiciones de llama para obtener la menor señal de ruido, particularmente si se usa expansión de escala o lecturas en el modo concentración. La exactitud analítica no depende de la precisión puramente instrumental, depende también de la reducción de los errores aleatorios y sistemáticos en la preparación de la muestra. Además la exactitud empeoraría si están presentes altas concentraciones de elementos de matriz en la solución de la muestra.
14.4.2 Tipos de Error Podemos categorizar los errores en dos tipos, aleatorios y sistemáticos. Los errores aleatorios ocurren cuando se obtienen resultados diferentes cada vez que se repite una medición. Ellos pueden ser reducidos tomando un promedio de la lectura más alta con la más baja.
Los errores sistemáticos pueden surgir a partir de calibraciones incorrectas o de errores del método. Por ejemplo la presencia de interferencias en AAS producirá una lectura que es consistentemente más baja o más alta. Este tipo de error no puede ser eliminado o remediado al promediar los resultados. Si un proceso interferente está causando una lectura baja, entonces ninguna cantidad de repeticiones hará que la lectura sea mayor. Los errores sistemáticos son responsables de cualquier diferencia significativa entre el valor medido y el valor correcto.
14.4.3 Precisión. La precisión es una medida de cuán repetible es un conjunto dado de resultados, o qué tan cerca están uno del otro. La validez de un conjunto de resultados replicados puede obtenerse al medir la precisión, o la desviación estándar relativa de todo el grupo. Una precisión baja viene indicada por una amplia dispersión de los resultados individuales y se reduce la confianza en su exactitud en la calibración o puntos de muestreo. El cálculo de la precisión se lleva a cabo de la siguiente manera: Encuentre el valor promedio x de un conjunto de réplicas que consisten de “n” mediciones del valor individual x.
=
x
∑ x n
La desviación estándar s está dada por:
∑ ( x − X )
2
s
=
n−
1
Luego la desviación estándar relativa es:
RSD
=
(s x 100 ) %
( x )
Los cálculos manuales de los valores de precisión son tediosos y consumen tiempo. Los valores de precisión llegan a ser más altos o peores a medida que la señal analítica llega a ser progresivamente más baja. Los valores de precisión para los blancos pueden fácilmente ser del 50-100 %, y para valores de absorbancia en el rango de 0.2-0.5A puede esperarse entre 1-2 %, para un sistema optimizado. Lo significativo de la desviación estándar es que si se hace un número de mediciones suficientemente grande entonces el 78% de los resultados diferirá del valor medio en una cantidad no mayor que la desviación estándar (s). Esto significa que un resultado de cada tres estará fuera de la precisión establecida.
En la práctica es deseable tener mayor nivel de confianza alrededor de los resultados. Es más usual usar el doble de la desviación estándar como medida de precisión, ya que el 95 % de los resultados estarán entre x -2s y x +2s. Esto significa que sólo uno de 20 resultados está probablemente fuera de la precisión establecida. A esta definición de precisión se le conoce a veces como un nivel de confianza del 95%.
SECCIÓN 15: CALIBRACIÓN La preparación correcta de los estándares y las gráficas de calibración es tan importante como la preparación de la muestra. Normalmente las mismas soluciones stock que se usan para AAS de llama puede ser empleada para las técnicas de atomización electrotérmica. Para evitar la contaminación, el material de vidrio para el análisis por llama debería mantenerse separado del material de vidrio para el trabajo con ETA, debido a las altas concentraciones que se usan en el AAS de llama. Las soluciones estándar deberían prepararse usando metales de alta pureza, o compuestos disueltos en reactivos de alta pureza. Alternativamente se podrían usar soluciones estándar disponibles comercialmente, siempre que tengan niveles suficientemente bajos de especies contaminantes. Cuando se preparan soluciones stock y soluciones de calibración, es importante seleccionar el ácido correcto para disolver el material de calibración. El ácido correcto mantendrá los iones metálicos en solución, mejorará los tiempos de vida de la solución y evitará subsecuentes problemas que surgen durante el ETA. Por ejemplo, el ácido clorhídrico si se usa para preparar soluciones de Plomo, producirá dificultades durante los procesos de calcinación debido a la volatilidad del cloruro de Plomo. Otro ejemplo es la selección de ácido sulfúrico el cual es difícil de secar suavemente y puede también tener severos efectos de disminución de la señal durante la atomización para ciertos elementos. Las soluciones preparadas que usan solventes orgánicos deben ser manipuladas cuidadosamente y deben elegirse los recipientes apropiados debido al uso de materiales órgano-metálicos en la fabricación del material plástico. Los agentes que liberan moho y antioxidantes son fácilmente disueltos en las paredes del recipiente por medio e muchos solventes orgánicos, produciendo altos niveles de contaminación. Aun las soluciones acuosas simples pueden eliminar materiales solubles tales como el estearato de Zinc que hay en las superficies de los plásticos.
15.1
Soluciones de Calibración. Las soluciones de calibración para el trabajo se preparan a partir de soluciones stock las cuales normalmente tienen una concentración de 1000 ppm. La solución stock se diluye entonces en pasos sucesivos con pipetas o buretas limpias y se vierten en material de vidrio volumétrico como fiolas. El material de vidrio es adecuado para los pasos de dilución pero no para almacenar las soluciones diluidas para ningún período de tiempo. Debe recordarse que ppm = μg ml-1 = mg/litro. El factor máximo de dilución sugerido en cualquiera de los pasos es 20 veces o un mínimo de 5 ml diluidos a 100 ml, debido al aumento de inexactitud implicada al pipetear volúmenes menores. Para preparar un estándar de concentración de 0.01 ppm o 10 ppb por dilución a partir de una solución stock de 1000 ppm, se sugiere el siguiente esquema:
Tomar 10 ml de la solución de 1000 ppm y diluir a 100 ml. concentración de 100 ppm.
Esto produce una
Tomar 10 ml de la solución de 100 ppm y diluir a 100 ml. concentración de 10 ppm.
Esto produce una
Continuar los mismos pasos de dilución en secuencia para producir concentraciones intermedias de 1 ppm, luego 0.1 ppm y finalmente 0.01 ppm. La misma dilución es posible en un solo paso usando una pipeta de punta plástica, pero por lo general no se recomienda cuando se quiere obtener las más altas exactitudes. Por ejemplo, 10 microlitros de una solución de 1000 ppm cuando se llevan a 1 litro producirán una solución de 0.01 ppm. Los estándares finales de trabajo deberán ser acidificados con ácido mineral apropiado para las soluciones acuosas o el mismo ácido o los mismos usados durante la preparación de la muestra. Es muy importante la estabilización de las soluciones de trabajo ya que la mayoría de soluciones en el rango bajo de concentraciones en ppm están sujetos a hidrólisis y efectos de absorción. Estos defectos son bien conocidos y documentados en la mayoría de manuales analíticos. Ejemplos de elementos que son propensos a hidrólisis son Sn, Ti, As y Sb, el estaño normalmente se estabiliza con una concentración relativamente alta de ácido clorhídrico nunca con ácido nítrico el cual conduce a grandes pérdidas del Estaño que está en solución. El tiempo de vida de las soluciones estándar preparadas es variable. Como regla general las soluciones stock de 1000 ppm deben ser estables por al menos 6 meses. Sin embargo, cuanto más diluida la solución más corto su tiempo de vida. Una solución acidificada de 5-10 ppm, en un recipiente apropiado, solo podría ser estable por una semana. En principio, las soluciones con concentración por debajo del nivel de 1 ppm deberán ser preparadas inmediatamente antes del análisis, aunque las soluciones individuales en sí podrían ser estables por períodos de más de un día.
15.2
Procedimiento de Calibración - Método Directo Existen dos procedimientos básicos disponibles para propósitos de calibración, método de interpolación directa y la técnica de adición de estándares. Ahora con modernos instrumentos computarizados es posible la lectura directa de concentración por cualquier método. La elección de cual método usar depende muchas consideraciones.
un los la de
En un sistema de horno de grafito, la fase de calcinación de un ciclo de horno destroza la matriz de la muestra antes de la etapa de atomización y el analito es atomizado a partir de un compuesto simple que está bajo la forma de óxido. Si la muestra es un solo compuesto, es posible preparar un conjunto de estándares de calibración que contienen sólo aquel compuesto. Por ejemplo la muestra podría estar constituida predominantemente de nitrato de Plomo por lo tanto los estándares necesitarán ser
preparados solamente a partir de la solución de nitrato de Plomo. Sin embargo, si el analito es un metal en trazas de una concentración conocida o matriz simple entonces deberán emplearse estándares cuyas matrices se hayan igualado a la matriz de la muestra. Por ejemplo si se determina Bismuto en una matriz de acero al 1%, entonces los estándares de Bismuto deberán contener una cantidad apropiada de acero para llevar a cada estándar a que tengan 1% de acero. La gráfica de calibración normalmente es lineal a bajos valores de absorbancia solamente, y la muestra tiene que ser diluida para que esté dentro de este rango si es que se emplean técnicas manuales. Normalmente se requiere como mínimo un conjunto de estándares de al menos el triple a fin de obtener una buena precisión. Deberá incluirse una solución blanco para cada lectura de señal debido al analito presente en los reactivos que se han usado en la preparación de la muestra. Para cada estándar los valores de absorbancia medidos para la llama o las alturas de pico o áreas para el horno de grafito, son ploteadas contra las concentraciones conocidas, permitiendo así construir una gráfica de calibración. Subsecuentemente podrán leerse las concentraciones de la muestra de manera directa a partir de la gráfica.
Fig. 39. Gráfica de Calibración (Calibración Directa)
Una curva de calibración directa típica para un blanco y tres estándares se muestra en la figura anterior. Los valores A1 hasta A3 son valores de absorbancia obtenidos a partir de los estándares que contienen concentraciones de analito desde C1 hasta C3. La absorbancia y la concentración aumentan a lo largo de los ejes y y x respectivamente. Dichas curvas podrían ser ploteadas de manera manual luego de restar el blanco y la concentración de la lectura de la muestra de manera directa a partir de la gráfica. Actualmente es mucho más fácil usar equipos de cómputo con microprocesador. Deberá encontrarse la ecuación más adecuada o algoritmo que define de manera más
exacta la curva de calibración y el método más simple es usar el procedimiento de “ajuste por mínimos cuadrados”. Aunque en apariencia los pares de puntos de datos y la recta deben por definición pasar a través de cada punto. Esto no sucede cuando se usa de manera rutinaria el procedimiento de mínimos cuadrados, ya que los coeficientes son escogidos para minimizar la suma de los cuadrados de la distancia de cada punto desde la recta. Sólo si la forma de la ecuación escogida encaja exactamente con los datos, esta distancia será reducida a cero. Normalmente siempre habrá un error en la concentración calculada. En algunos instrumentos se usa una técnica que emplea funciones parabólicas segmentadas en vez del algoritmo de mínimos cuadrados. Esto se muestra en la figura 40. El sistema trabaja de la manera siguiente. El blanco es medido primero, seguido de cada un de los estándares empezando por el de concentración más baja. La pendiente de la línea recta entre el blanco y el primer estándar, se comparan con la pendiente que está entre el primer y segundo estándar. Si las dos pendientes están dentro del 40% una a la otra en la dirección del eje de concentración o dentro del 10% hacia el eje de absorbancia, el cálculo entonces procederá. Si las pendientes segmentadas están dentro de esos límites, se calcula el valor medio de las dos pendientes y se usa par definir explícitamente un segmento de una parábola entre los puntos de calibración 1 y 2 y 3. El promedio de las pendientes de los segmentos previos se usa para verificar si hay un exceso de curvatura. La función de calibración completa se construye por lo tanto segmento por segmento, haciendo siempre verificaciones si hay exceso de curvatura en cada punto de calibración. Los procedimientos de calibración normal actualmente pueden llevarse a cabo de manera simple y rápida, sin recurrir al ploteo manual de los resultados, mediante el uso de dispositivos automáticos de muestreo unidos a un procesador de datos por micro computadora. Algunos sistemas con autosampler o automuestreo preparan estándares a partir de soluciones madre o master lo cual incrementa la exactitud ya que elimina la variabilidad asociada a diferentes técnicas de dilución que tengan los analistas.
Figura 40. Ajuste de curva segmentada
15.3
Estándares con matri z igualada Se usan estándares acuosos y procedimientos de cálculo simple cuando los componentes de matriz de la muestra no interfieren con la señala analítica. Sin embargo en muchos casos la interferencia existe. A fin de superar la Interferencia, se usan estándares con matriz igualada para la calibración del análisis. Por ejemplo en ETA para la determinación de Plomo en sangre total, la matriz suprime un 30 % de la señal usando la atomización en la pared del tubo. Una solución a este problema es usar estándares de sangre total que contengan adiciones de 0, 0.5, 1.0, 2.0 y 3.0 μmoles l-1 de Plomo. Estos estándares de sangre total se tratan exactamente de la misma manera que las muestras, usando una dilución 1+4 con 10-2HNO3. La calibración se realiza al sustraer el contenido de Plomo endógeno de las adiciones estándar. Este método solo puede usarse si se conocen los principales componentes de la matriz de la muestra, o si no varía mucho entre muestra y muestra.
15.4
Técnica de Adición de Estándares Las técnicas de calibración directa trabajan bien para soluciones simples donde los efectos de matriz son insignificantes o son constantes para todas las muestras en un lote. Para soluciones más complejas y muestras donde los efectos de matriz son variables y no pueden ser eliminados, deberá usarse el método de adición de estándares. Este método siempre debería usarse inicialmente par verificar los efectos de las interferencias, antes de escoger el mejor método de calibración. La técnica es como sigue:
Tomar muchas alícuotas de la solución de la muestra y adicionar concentraciones conocidas del analito a todas excepto a una de las alícuotas de la muestra. En el siguiente ejemplo donde la concentración anticipada del analito en la muestra es aproximadamente 0.04 ppm, cada solución tendrá un volumen final de 10 ml. En la tabla de abajo se muestra el volumen de alícuota, y la solución estándar del analito adicionada a cada alícuota. Luego se añade agua desionizada para enrazar hasta volumen final.
Número de la solución
Volumen de muestra (ml)
Volumen del estándar de 0.2 ppm (ml)
Agua (ml)
Volumen Total (ml)
Concentración Adicionada (ppm)
1
0
0
10.0
10.0
0.00
2
5.0
0
5.0
10.0
0.00
3
5.0
0.1
4.0
10.0
0.02
4
5.0
2.0
3.0
10.0
0.04
Los números de las soluciones son los siguientes: 1.
Es una solución blanco
2.
Es una solución de la muestra que se ha diluido en un factor de 2, sin adición del analito.
3.
Es una muestra con la primera adición de una concentración conocida del analito.
4.
Es la muestra con la adición de una concentración conocida del analito, que contiene el doble del nivel de concentración que en la solución número 3.
Cada solución luego es medida por triplicado y se obtienen los valores de absorbancia. En la tabla de abajo se muestran resultados típicos para una serie de mediciones de alturas de pico.
Absorbancia de altura de Absorbancia de altura de pi co pico corregida para el blanco Blanco
0.050
Adición cero
0.200
0.150
Adición 1
0.490
0.440
Adición 2
0.800
0.750
Las absorbancias de altura de pico corregidas pueden ser ploteadas de manera manual versus la concentración del analito adicionado o mediante el uso de una computadora para calcular directamente la respuesta. En el método gráfico, la recta ploteada se extrapola hacia atrás hasta que corte el eje de concentración. El valor del intercepto corresponde a la concentración del analito para la solución a la que no se le ha adicionado analito. Esto se ilustra con un diagrama en la figura 41.
Figura 41.
Gráfica de calibración-Adiciones de Estándar
Puede construirse una gráfica de calibración normal usando estándares acuosos de la misma concentración que el analito adicionado en las adiciones 1 y 2. Para determinar si aparecen o no interferencias químicas pueden compararse las pendientes de las gráficas de adiciones estándar y de la gráfica de calibración normal. Si las dos gráficas son paralelas, puede asumirse que cualquier tipo de interferencias son mínimas y podrían ignorarse sin que se afecte nada. Si las gráficas tienen diferentes pendientes, entonces debe asumirse que hay presencia de interferencias y la calibración tiene que llevarse a cabo por el método de adición de estándar.
El método de adición de estándar asume que el analito adicionado reaccionará de manera exactamente igual durante el análisis como lo hace el analito que ya está dentro de la muestra. En otras palabras, el nitrato de Plomo inorgánico adicionado a una muestra que contiene un compuesto órgano-metálico de Plomo, se asume que reaccionará como el plomo orgánico. Cualquier absorbancia de fondo no será compensada si se usa el método de adición de estándar. En ausencia de operaciones simultáneas de corrección de fondo, el fondo deberá ser corregido antes que se construya la gráfica de calibración. Para una máxima exactitud, las absorbancias finales medidas para todas las soluciones de adición de estándar deberán caer en la porción lineal de la gráfica de calibración. De haber dudas concernientes a la exactitud de la determinación, deberá correrse por el método completo un material de referencia estándar certificado tal como el rango de materiales estándar BCS o NIST. Si no existen materiales estándares convenientes deberá pretratarse la muestra hasta que se elimine de manera efectiva la matriz. Esto podría lograrse por digestión ácida o por extracción, calcinación húmeda o seca, etc., y el lo que queda, esencialmente acuoso, es la solución analizada. El método arriba descrito implica preparar un considerable número de soluciones. Para el ETA pueden usarse una técnica alternativa. La adición de estándar puede realizarse en un tubo de grafito, evitando así las operaciones de manipulación necesarias para hacer soluciones extras. Una técnica manual es inyectar la solución de una muestra dentro del tubo, secar y calcinar de la manera normal, pero detenerse en este punto en el ciclo del horno. Después de que se deja enfriar el tubo ligeramente, el estándar acuoso para la adición será inyectado dentro del tubo de grafito en la parte superior de la muestra calcinada. El ciclo completo del horno entonces se recomienza con una fase seca y la absorbancia final que se registra es aquella debida al analito en la muestra más el analito adicionado. De esta manera el número de determinaciones que se requiere puede obtenerse usando solo la solución de la muestra y una serie de soluciones de estándar acuosas simple. Las computadoras y los automuestreadores permiten que este método sea realizado de manera automática y también permiten interpretar los datos, calcular el intercepto y visualizar el resultado.
15.5
Linealidad Para el método de adiciones de estándar es esencial y conveniente para el procedimiento de calibración normal, trabajar en la porción lineal de la gráfica de calibración. Esto sólo se puede establecer preparando un amplio rango de estándares y midiendo sus señales. El límite de la linealidad para la gráfica podrá entonces ser evaluado y el rango de concentración máxima de trabajo para la linealidad podrá ser calculado. La linealidad está afectada por los efectos en la concentración, ya que una concentración de átomos libres en exceso en un volumen analítico pequeño, producen menos que los valores de absorbancia esperados. El instrumento deberá ser operado en el rango de 0-0.4 unidades de absorbancia hasta donde sea posible, ya que por encima de ese nivel casi siempre ocurre una desviación curvada. Algunos
espectrómetros son capaces de detectar curvaturas en la gráfica de adición de estándares e ignorar los valores altos. Solamente la porción lineal de la gráfica será usada para definir la concentración de la muestra.
15.6
No linealidad La no linealidad puede ser introducida debido a los diversos efectos de desgaste de los instrumentos tales como el resultado de los constantes tiempos largos en el sistema detector y los registradores de tablas de respuesta lenta. Con concentraciones mayores el grado de disociaciones es menor, lo cual produce una disminución de la proporción de los átomos libres que están disponibles a concentraciones mayores, lo que causa una curvatura. Las gráficas de calibración para muchos elementos son lineales hasta casi 0.5 A y la mayor parte de la que queda producen sólo una ligera curvatura hasta 1 A. Una excepción es el níquel el cual muestra curvatura. Su línea de resonancia principal a 232.0 nm aparece en la región del espectro densamente poblado y la curvatura por lo tanto depende del paso de banda y de la resolución del monocromador del que se disponga. La curvatura excesiva también se puede producir cuando se cambia de una combinación de gas a otra sin que se reajuste la altura de observación o las velocidades de flujo de gas. Hay ocasiones en que una gráfica de calibración muestra una curvatura alejada del eje de concentración. Ejemplos de esto son el Bario, y el Europio en una llama óxido nitroso/acetileno, o el Oro, el Potasio y el Sodio en una llama aire/acetileno.
Fig. 42. Calibración curvándose hacia arriba para el Europio
Este efecto es causado por la ionización ya que la mayor proporción de este elemento se ioniza a concentraciones muy bajas. La ionización también se hace notable a temperaturas por encima del óptimo para un elemento dado. Para hacer correcciones por ionización, se adiciona un buffer de ionización.
SECCIÓN 16: INTERFERENCIAS
Los efectos de las interferencias en AAS tradicionalmente han sido clasificados en interferencias químicas, físicas y espectrales. Aunque los efectos de fondo y su corrección a veces se han clasificado dentro de las interferencias físicas. Las interferencias en el AAS de llama son pocas y están bien definidas y pueden dividirse en 5 tipos: espectrales, químicas, físicas, de ionización y absorciones no específicas.
16.1
Interferencia Espectral La interferencia espectral debida a un solapamiento de líneas es algo muy raro en la espectrometría de absorción atómica. Este tipo de interferencia puede ser superada por separación de los elementos antes del análisis o bien mediante el uso de una longitud de onda alternativa. La AAS es altamente específica para un elemento dado. Las longitudes de onda a las cuales absorben los elementos individuales están bien definidas y la posibilidad de que dos elementos que absorben en exactamente la misma longitud de onda es tan remota, que por lo general se reconoce que la técnica está libre de interferencias espectrales. Los pocos casos bien documentados donde este efecto de interferencia han probado ser significativos, se muestran en la siguiente tabla. Analito
Longit ud de onda del analito (nm) 308.211
Separación (nm)
Aluminio
Longitud de onda del interferente 308.215
Plomo
216.999
Antimonio
217.023
0.024
Cobre
217.894
Antimonio
217.919
0.025
Níquel
213.095
Antimonio
213.147
0.052
Litio
323.261
Antimonio
323.252
0.009
Cadmio
228.802
Arsénico
228.812
0.010
Europio
324.753
Cobre
324.754
0.001
Manganeso
403.307
Galio
403.298
0.009
Calcio
422.673
Germanio
422.657
0.016
Platino
271.904
Hierro
271.903
0.001
Manganeso
279.482
Hierro
297.470
0.012
Magnesio
285.213
Hierro
285.213
< 0.001
Vanadio
Interferente
0.004
Galio
287.424
Hierro
287.417
0.007
Cobre
324.754
Hierro
324.728
0.026
Cobre
327.396
Hierro
327.445
0.049
Plata
338.289
Hierro
338.241
0.048
Níquel
352.454
Hierro
352.424
0.030
Aluminio
396.153
Hierro
396.114
0.039
Estroncio
460.733
Hierro
460.765
0.032
Cobalto
253.649
Plomo
241.173
0.003
Paladio
247.643
Plomo
247.638
0.005
Galio
403.298
Manganeso
403.307
0.009
Cobalto
253.649
Mercurio
253.652
0.003
Cromo
359.349
Mercurio
359.348
0.001
Vanadio
250.690
Silicio
250.690
< 0.001
Hierro
213.859
Zinc
213.956
0.003
Como la línea de absorción para el cobre es 324.754 nm y la del europio es de 324.753 nm puede haber un problema cuando se quiera determinar cobre a bajos niveles, en presencia de un alta cantidad de Europio. También sería un problema el solapamiento de bandas y líneas moleculares para el hidróxido de Calcio sobre el bario a 553.55 nm. El cloruro de Sodio parece que produce una fuerte absorción molecular en la línea del Plomo a 217.0 nm lo cual afecta la determinación del Plomo. Podría usarse corrección de fondo para solucionar este tipo de interferencias.
16.2
Interferencias Físicas Las interferencias físicas debido a los efectos de viscosidad pueden ser resueltas al igualar cuidadosamente la matriz y el solvente de los estándares con los de las muestras por ejemplo los estándares acuosos no deberían usarse cuando se mide una muestra en un solvente orgánico.
16.3
Interferencia Química
A veces la respuesta de un elemento a su longitud de onda de resonancia podría depender de otro componente o componentes en la solución de la muestra. Este efecto por lo general es conocido como interferencia química. Antes de que pueda ocurrir la absorción a la longitud de onda de resonancia, debe ser generada una población de átomos libres del elemento en la llama. El número de átomos libres y por tanto la cantidad de absorción atómica en la llama está dictado por constantes de equilibrio. Cualquier restricción en el sistema que cause cambios en el equilibrio constituirá una interferencia química.
16.3.1 Formación de Compuestos Estables Las especies aniónicas comunes tales como fosfato, sulfato, aluminato y otros aniones oxigenados deprimen la absorción de los metales alcalino térreos en la llama aire/acetileno. Los compuestos químicos que se forman son relativamente estables a la temperatura de la llama aire/acetileno y deberá solucionarse la formación de escoria, aleaciones de Aluminio, restos de alimentos, etc. Están disponibles diversos métodos de cómo resolver este tipo de interferencias: 1.
Eliminación de los aniones interferentes por técnicas químicas o técnicas de intercambio iónico.
Estos elementos no se usan con frecuencia ya que se desvían de la simplicidad que es esencial en el análisis de absorción atómica. 2.
Adicion es de un exceso de los aniones interferentes tanto a la muestra como a las sol uciones estándar
El método es simple, pero podría reducir la sensibilidad analítica del elemento a ser determinado hasta por debajo de un límite útil. 3.
Uso de una llama más caliente de óxid o nitroso/acetil eno para los elementos alcalinos térreos
Mientras que la temperatura de la llama es lo suficientemente alta para superar completamente las interferencias aniónicas, se introduce otro efecto conocido como ionización. Esto se discute en la sección acerca de la ionización. 4.
Adición de un agente “ liberador”
Esta es la técnica probablemente más comúnmente usada. Un agente liberador es la sal de un metal que formará un compuesto estable con el anión interferente. El Lantano y algunos otros cloruros de tierras raras son muy efectivos, y el cloruro de Estroncio podría actuar como agente liberador para el Calcio y el Magnesio en presencia de los aniones interferentes. Algunos agentes quelantes, particularmente la sal disódica del EDTA, son efectivas para superar la interferencia aniónica por la
quelación activa del metal a ser determinado, más que por reacción con las especies aniónicas. El método del agente liberador no es satisfactorio solo cuando la cantidad de la interferencia aniónica es muy grande.
16.4
Ionización Esta interferencia por lo general se observa en llamas de alta temperatura tales como óxido nitroso/acetileno y se caracteriza porque aumenta la respuesta del elemento a ser determinado cuando se adiciona otro elemento más fácilmente ionizado. Existe un equilibrio en la llama entre los átomos libres y los iones. Para los elementos que tienen potenciales de ionización relativamente bajos, la proporción de iones será alta. Si se introduce un segundo elemento fácilmente ionizado a la llama, el equilibrio del elemento de interés es desplazado hacia el estado atómico, produciendo una mejora en la sensibilidad analítica. Las fallas en el reconocimiento de este efecto conducen a resultados altamente erróneos. Los elementos que son ionizados en la llama aire/acetileno incluyen los metales alcalinos y el Oro, aunque muchos otros metales se ionizan en pequeña medida. Los elementos que son ionizados en una cantidad significativa en la llama óxido nitroso/acetileno incluyen las tierras raras, los metales alcalinos térreos y Al, B, Ca, In, Sc, Ti, Tl. Siempre que se determine cualquier elemento en la llama óxido nitroso/acetileno, la presencia en la solución de la muestra de un gran exceso de otro elemento, incrementará casi con certeza la absorbancia. La interferencia se supera de manera efectiva por la adición de un exceso de la sal metálica fácilmente ionizable tal como el cloruro de Cesio o Potasio tanto a las soluciones del estándar como a las muestras. Debe añadirse suficiente metal, normalmente alrededor de 1000-2000ppm, tal que la absorbancia llegue a un “plateau” o meseta para superar la interferencia. Esto frecuentemente producirá una mejora muy significativa de la sensibilidad. Como cada metal del grupo 1 de la tabla periódica es ionizado más fácilmente en el orden Li, Na, K, Rb, Cs, entonces cada elemento está debajo del otro en la tabla periódica podría usarse para suprimir la ionización del elemento que está arriba de él. Por ejemplo si en el análisis de Sodio, el Sodio estuviera ionizado, entonces se adicionaría una sal de Potasio para suprimir la ionización. Esto ocurre de acuerdo a la ley de acción de masas y se demuestra mediante las ecuaciones de abajo. Na
Na+ + e-
K
K+ + e-
Se ve que ahora hay un exceso de e - que provienen de la ionización del K, como éste se ioniza más fácilmente el equilibrio para el Na es empujado hacia la izquierda (Na + + eNa) para producir más átomos de Na.
16.5
Absorción No Específic a Este tipo de interferencias es causado por la absorción molecular o por la dispersión de luz debida a las partículas salinas. Esto es más serio en el AAS de horno que en el AAS de llama y se soluciona fácilmente mediante el uso de la corrección de fondo.
SECCIÓN 17: INTERFERENCIAS DEL HORNO 17.1
Dispersión de la Muestra El proceso de secado de muestras puede causar interferencias. Cuando se inyecta una muestra en la cubeta de grafito, la eficiencia del proceso de atomización podría ser afectada por la posición, el tamaño y la forma de los cristales formados durante la etapa de secado.
17.2
Interferencias en Muestras Sólidas El problema de la calibración en el muestreo sólido de GFAAS se debe principalmente a la presencia de interferencias que aparecen durante la atomización de las muestras. Dichas interferencias químicas pueden surgir de los constituyentes de la muestra, tales como cloruros, o a partir de diferencias en la velocidad del analito, causadas por la oclusión del analito en la matriz sólida. En ambos casos, tanto la plataforma de atomización como los procedimientos de modificación de matriz ayudan a eliminar o a reducir dichas interferencias. Para analizar muestras sólidas, elijan una muestra sólida con matriz similar a la de la muestra, pero que tenga una cantidad conocida del analito para los estándares de calibración. Esto debería ser un Material Estándar de Referencia (SRM) o un estándar preparado que haya sido analizado previamente. Luego de un corto período de tiempo de usar muestras sólidas, se acumularán residuos carbónicos dentro de la plataforma y deberán ser eliminados. En ciertas circunstancias, las muestras sólidas pueden calibrarse contra estándares acuosos. El tipo de procedimiento de calibración a escoger, depende de lo que requiera cada laboratorio individualmente.
17.3
Interferencias de Matriz 17.3.1 Formación de Compuestos Estables Muchos de los elementos refractarios como Ba, B, Mo, Ti, V, y W reaccionan con el grafito para formar carburos estables refractarios. Como consecuencia, ellos son elementos extremadamente difíciles de determinar usando un tubo electrografito. Los tubos de electrografito recubiertos pirolíticamente mejoran grandemente la señal y son preferidos para la determinación de elementos refractarios. Ciertos elementos como Al, Ba, Ca, Cr, Ga, Ge, Hj, Li, Mg, Nb, Pu, Si, Sr, Ta, Th, Ti, U, V, Y y Zr forman nitruros a temperaturas mayores de 600°C. En estos casos debe usarse como gas inerte Argón en vez de Nitrógeno.
17.3.2 Formación de Compuestos Volátiles La formación de compuestos volátiles puede usarse beneficiosamente para eliminar las interferencias de cloruros. También es posible volatilizar los cloruros como analito durante la fase de calcinación, lo cual puede conducir a resultados más bajos si los estándares no contienen la misma cantidad de cloruro.
17.3.3 Interferencias en la Fase Vapor Durante la atomización tiene que estabilizarse la temperatura de equilibrio para evitar las interferencias de la fase vapor: Los resultados analíticos dependen grandemente del tipo y la condición de la muestra. Sin un equilibrio de la temperatura, diversos compuestos o estados de un elemento dado podrían requerir diferentes temperaturas de atomización. El ejemplo más documentado en la literatura para las interferencias en fase vapor, es la interferencia de haluros metálicos sobre elementos volátiles tales como Plomo o Cadmio. En muchos análisis, la principal dificultad es la presencia de una alta concentración de cloruro de Sodio, por ejemplo, en el análisis de muestras biológicas o de muestras de agua de mar. La interferencia del cloruro de Magnesio sobre el Plomo ocurre durante la vaporización y la atomización del analito y la matriz durante la fase de atomización en el ciclo del horno. Esta situación puede entenderse más fácilmente al revisar el siguiente equilibrio: Pb(g) + MgCl2 (g)
PbCl(g) + Cl(g) + Mg(g)
A temperaturas más bajas el equilibrio descansa sobre el lado derecho de la ecuación y favorece así la formación de moléculas de cloruro de Plomo. Esto reduce la población de átomos de Plomo y causa una reducción de la señal de absorción atómica del Plomo. A mayores temperaturas el equilibrio se desplaza hacia el lado izquierdo, produciendo un aumento de la población de átomos de Plomo. En el horno original de L’vov, las muestras eran atomizadas a una alta temperatura de vapor en estado estable. Este sistema reducía la formación del haluro del analito, y en consecuencia se reducían las interferencias. Sin embargo, en el diseño Massman, el analito y la matriz eran atomizadas en un ambiente de temperatura que cambiaba rápidamente. Los elementos volátiles son atomizados a bajas temperaturas y aumenta así la formación del haluro del analito. Esto produce la reducción de la formación de átomos libres del analito y aumenta las interferencias. Se han usado diversos métodos para disminuir estas interferencias, como por ejemplo la modificación de matriz, la atomización en plataforma y la atomización en sonda. Estos tres métodos retardan la volatilización y la atomización
del analito hasta que la temperatura de la fase vapor haya alcanzado una temperatura constante.
SECCIÓN 18: ASEGURAMIENTO DE LA CALIDAD (QA) Y CONTROL DE CALIDAD (QC) Es importante seguir un conjunto de principios operativos durante la recolección y el análisis de las muestras, lo cual producirá datos fiables y de una calidad sólida. A este conjunto de operaciones se le conoce como aseguramiento de la calidad y le permite al analista tener un alto nivel de confianza de la exactitud de los resultados analíticos. El control de calidad y la evaluación de la calidad son aspectos importantes del aseguramiento de la calidad.
18.1
Planteamiento del Aeguramiento de la Calidad A fin de llevar a cabo un programa de aseguramiento de la calidad, es esencial tener un plan de Aseguramiento de la Calidad (QA). El plan debería incluir lo siguiente:
Organización del personal y sus responsabilidades. Un Procedimiento Operativo Estándar (S.O.P.) para cada método analítico. Requerimientos para el entrenamiento de los analistas. Procedimientos de mantenimiento preventivo para los equipos. Procedimientos de calibración. Acciones Correctivas. Actividades de Control Interno de la Calidad. Auditorías de nivel de desempeño Procedimientos para evaluación de datos para la exactitud y la precisión. Reducción, validación y reporte de datos.
Una hoja inicial debería resaltar los objetivos e incluir una sección acerca de la organización y las responsabilidades la cual asigna funciones específicas a cada participante que esté dentro del programa. Los procedimientos de la documentación y el control de muestras permiten que una muestra y sus derivados (contramuestra, muestra dirimente, etc.) sean trazadas a través de todas las etapas desde la recolección hasta el análisis y los resultados de ensayo. La documentación siempre es importante pero lo es particularmente cuando hay más de una persona involucrada dentro del programa. Un procedimiento Operativo Estándar para un método analítico deberá describir el método en tal nivel de detalle que un analista experimentado que no esté familiarizado con el método pueda llevarlo a cabo y obtener resultados aceptables. El entrenamiento de los analistas debe ser especificado. El analista debe tener suficiente entrenamiento, ya que la calidad de los resultados variará con el tipo de análisis, el número de análisis requerido, las características de la muestra y la experiencia del analista.
Se requiere de procedimientos para el mantenimiento de equipos. Un estricto programa de mantenimiento preventivo reducirá el mal funcionamiento de los instrumentos, mantendrá el estado de calibración y reducirá la pérdida de tiempos de trabajo. La reducción, validación y el reporte de datos son las características concluyentes de un programa de Q.A. Los parámetros de un instrumento analítico deben estar optimizados para obtener mediciones significativas. El Plan de Q.A. deberá también especificar los factores de corrección necesarios para calcular los resultados. Siempre deberán usarse las unidades estándar de masa, volumen o concentración en el reporte y deberá usarse un método específico para reportar resultados por debajo del límite de detección del método. Cada resultado o conjunto de resultados deberá estar acompañado por una expresión de la incertidumbre.
18.2
Control de Calidad El Control de Calidad podría ser interno o externo. Todos los analistas competentes usan alguna forma de Q.C. para producir resultados creíbles. Sin embargo un buen programa de control de calidad consiste de lo siguiente: Certificación de la competencia del operador. Recuperación de la muestra luego de un pretratamiento. Recuperación de adiciones conocidas del analito. Análisis de estándares externos. Análisis de blancos de reactivos. Calibración con estándares. Análisis de duplicados. Mantenimiento de cartas de control. El analista tiene que demostrar competencia técnica antes que se le permita realizar trabajaos en los que tenga que reportar. Para la mayoría de análisis químicos inorgánicos y orgánicos, es suficiente la demostración de que la precisión y la desviación de un solo operador sea aceptable. Deberá analizarse un mínimo de cuatro réplicas del análisis de una muestra de verificación o de desempeño preparada independientemente. La concentración de esta muestra deberá ser entre 5 y 50 veces el límite de detección del método ((MDL). La recuperación de adiciones conocidas debe ser parte de un protocolo analítico regular. Las adiciones de estándar conocido se usan para verificar la ausencia o presencia de efectos de matriz (interferencias). Siempre verificar la cantidad que hay de interferencias cuando se vaya a analizar un nuevo tipo de matriz. Cuando el analito de interés esté ausente y no sean necesarios duplicados, realice una recuperación de adiciones conocidas para el 10% de las muestras. Cuando se analicen duplicados, la suma de duplicados y de adiciones conocidas debe ser igual al menos del 10% del número de muestras. Las adiciones de estándar conocido deberán estar entre 5 y 50 veces el MDL, o entre 1 y 10 veces el nivel normal, cualquiera que sea el mayor. Las adiciones conocidas no deberán exceder el rango lineal del método y deberán usarse
estándares concentrados tal que un cambio en el volumen de la muestra sea insignificante. Cuando el análisis de la adición de estándar conocida no produzca una recuperación aceptable, use estándares externos al menos una vez cada día. Usar estándares de control de laboratorio de concentración entre 5 y 50 veces el MDL o cercano a los niveles normales de la muestra, cualquiera sea el mayor. Usar materiales de referencia certificados como estándares de control interno de laboratorio hasta donde sea posible. Si se dispone de Materiales Estándares de Referencia del Nacional Institute of Standards (NIST) sería ideal. Preparar materiales de referencia internos independientemente de los estándares usados par la calibración. Cada vez que se usen nuevos reactivos, analizar blancos de reactivo. También debe analizarse blancos de reactivo luego de que se haya analizado cualquier muestra que tenga una concentración mayor que el estándar más alto o cuando haya riesgo de contaminación de una muestra hacia la siguiente. Cuando se calibra con estándares, se debe medir diferentes diluciones del estándar diariamente por análisis de uno o más estándares dentro del rango lineal. Reportar los resultados analíticos que estén dentro del rango de las diluciones estándar usadas. Sólo reportar los valores que estén por encima del estándar más alto cuando se haya demostrado un mayor rango lineal, y no se haya cambiado ningún parámetro del instrumento y el valor obtenido sea menor de 1.5 veces el estándar más alto. El MDL es el valor más bajo que se puede reportar, siempre que el estándar de calibración más bajo sea menos de 10 veces el MDL. Cuando se resta un blanco, reportar el resultado aún si es negativo. El análisis de duplicados de muestras es efectivo para la evaluación de la precisión cuando la mayoría de las muestras tengan cantidades aceptables del constituyente a ser determinado. Deberán analizarse por duplicado el 5% o más de las muestras. El análisis de duplicados y de las adiciones de estándar conocido en matrices deberá ser representativo de las muestras analizadas en el laboratorio. Comúnmente se usan tres tipos de cartas de control en el laboratorio y son esenciales para el control de calidad: Carta de promedios para los estándares – Estándares de Control de Laboratorio (LCS) o Estándares de Verificación de Calibración (CCS). Carta de promedios (o de muestra) para resultados de fondo o blancos de reactivos. Carta de rangos para análisis de duplicados.
SECCIÓN 19: LA MUESTRA A fin de obtener buenos resultados, es extremadamente importante que se tomen en cuenta todos los siguientes requerimientos: Conocimiento de la historia y las condiciones ambientales relacionadas al origen de la muestra. El método de la recolección de la muestra. La correcta preparación, manipulación y almacenamiento de la muestra. Fallas en las consideraciones arriba mencionadas producirán resultados que no tienen ningún sentido.
19.1
Recolección de la Muestra Podrían ocurrir serias contaminaciones si no se ha lavado apropiadamente el recipiente o frasco vacío de la muestra y enjuagado con ácido y agua desionizada previo a la recolección de la muestra. La contaminación proveniente de una muestra previa también podría producirse de la incorrecta limpieza de los frascos.
19.2
Almacenamiento de la Muestra Habiendo obtenido la muestra, se deben considerar dos aspectos importantes: ¿Cómo puede almacenarse la muestra sino se puede realizar el análisis inmediatamente? ¿Cuánto tiempo puede mantenerse la muestra? En una situación ideal, la muestra debería ser analizada inmediatamente. Si esto no puede hacerse, entonces se tiene que preservar la muestra. El mayor riesgo del almacenamiento y particularmente en el almacenamiento a largo plazo, son la pérdida del metal de la muestra en un período de tiempo y la posibilidad de contaminación. Puesto que es posible determinar metales en prácticamente cualquier cosa, debería seguirse un protocolo o un programa de Q.A, dependiendo del tipo de muestra y del elemento a ser determinado en ella. Es mucho más fácil lavar el frasco si una muestra es tratada inmediatamente. Si se ha almacenado la muestra por largo tiempo, las partículas suspendidas podrían asentarse o sedimentar al fondo del frasco, produciéndose la pérdida de algunas partículas de la muestra así como también la limpieza del frasco se hace más difícil.
19.3
Preparación de la Muestra Una muestra que es recibida en el laboratorio raramente se encuentra bajo la forma en que la podamos introducir directamente al equipo de AAS, por lo que se hace necesario preparar la muestra de alguna forma. Hay por lo menos cinco métodos de preparación de muestras que usan los analistas, éstos son: Calcinado en vía húmeda o Digestión Ácida. Fusión Disolución por Presión Calcinado en vía seca Digestión en horno de microondas
19.3.1 Calcinado en Vía Húmeda o Digesti ón Ác ida Para la AAS de llama, siempre se introduce la muestra al instrumento en forma líquida y para obtenerla en este estado, frecuentemente se usa una digestión ácida. Pueden usarse diversos ácidos dependiendo del tipo de muestra. La muestra sólida se disuelve en un ácido o mezcla de ácidos. Los ácidos típicamente usados son el clorhídrico, el nítrico, el agua regia (que es una mezcla de HCl y HNO 3 en proporción 3:1), el perclórico, el fluorhídrico y el sulfúrico. El ácido o mezcla de ácidos que se usa para una aplicación particular depende grandemente de la muestra. Por ejemplo, la mayoría de metales se disolverá en ácido clorhídrico o nítrico o en una mezcla de ambos: el agua regia. Los materiales biológicos con matrices simples se disolverán en ácido nítrico, sin embargo, matrices más complejas necesitarán también de ácido perclórico. El ácido perclórico también es útil para romper complejos fuertes de fluoruros. El ácido fluorhídrico se usa para romper silicatos tanto en muestras geológicas como en muestras biológicas. El ácido sulfúrico se usa de manera similar al perclórico. Todos los ácidos que se usan para los procedimientos de disolución deben ser de alta pureza. El grado “Analar” por lo general suficiente para la mayoría de análisis. Se le requiere cuando la medición final se hace por AAS de horno. El calcinado en vía húmeda o los digestores ácidos por lo general se llevan a cabo en material de vidrio pirex, aunque cuando se usan ácidos tales como el fluorhídrico o cuando se van a analizar metales como el Sodio es preferible usar material de teflón o de platino.
19.3.2 Técnica de la Fusión Otro método de disolución de la muestra es la técnica de la fusión. Aquí la muestra se pesa en un crisol de metal, mezclada con un agente adecuado y fundido sobre una
llama caliente. El fundido resultante es lixiviado en agua o en ácido. Esta técnica es fácilmente automatizada, lo cual aumenta grandemente la velocidad de análisis. Se han usado muchos agentes fundentes diferentes. El carbonato de Sodio es adecuado para una fusión de matriz simple o para muestras de alto contenido de Azufre. El tetraborato de Sodio y el metaborato de Litio han sido usados para muestras. El fluoruro es un fundente especializado que se usa para la determinación de metales raros térreos. El peróxido de Sodio es un fundente universal y tiene un amplio rango de aplicaciones analíticas para diversos tipos de muestra. A veces se usa la fusión junto con la digestión ácida, cuando las mezclas ácidas usadas no han disuelto completamente la muestra. El residuo se filtra y luego se funde, por lo general con peróxido de Sodio. Las dos porciones luego son combinadas y medidas por AAS para metales totales. Tal como en las digestiones ácidas, los reactivos usados deben ser de alta pureza para evitar contaminación. Por lo general las fusiones se llevan a cabo en crisoles de metales de Níquel, Platino o Circonio. La principal desventaja de esta técnica es que se introducen grandes cantidades de sal a la matriz de la muestra. Esto puede causar efectos de background y de interferencias en la llama. Se debe tener cuidado para evitar la obstrucción del quemador. En el horno, la presencia de altas cantidades de sales afectará grandemente la medición y por eso esta técnica tiene una aplicación limitada para el análisis por horno.
19.3.3 Disoluc ión por presión Esta técnica se usa cuando al usar otras técnicas de preparación de muestras se pierden los elementos que son volátiles. La muestra es sellada dentro de una bomba “Parr” o en un tubo Carius de cuarzo o de sílica. La bomba se coloca entonces en un horno a aproximadamente 150°C por lo general por toda la noche. La combinación de temperatura y presión ayuda a la disolución de la muestra. Este método se ha usado para determinar Mercurio y Silicio.
19.3.4 Calc inado en Vía Seca Esta técnica se usa para muestras que tienen alto contenido de Carbono. La muestra es calentada al aire en un horno hasta que toda la materia orgánica se haya quemado y volatilizado. Los elementos volátiles como por ejemplo el Arsénico, puede perderse a altas temperaturas de calcinado y para evitar esta pérdida se han usado diversos agentes de calcinación tales como el nitrato de Magnesio. Luego de la calcinación el residuo es disuelto en ácido clorhídrico o nítrico. El calcinado en seco se ha usado para muestras tales como carbón mineral, resinas y material vegetal.
19.3.5 Digestión en Horno de Microondas
Esta técnica consiste en colocar la muestra y ácidos en un frasco o bomba sellada de policarbonato o de teflón y se calienta en un horno de microondas. Aquí también, es la combinación de temperatura y presión la que efectúa la disolución de la muestra. Esta técnica también es útil para medir metales volátiles. La principal ventaja de esta técnica es en el tiempo de análisis, que es en tan sólo minutos, en vez de horas.
19.4
Técnicas de Preconcentración y Separación Estas técnicas son un medio por las que se puede concentrar la muestra antes de su introducción al equipo de AA. Aún si una muestra está en solución no podría ser posible medir directamente el elemento por AAS de llama o de horno y llevar al elemento de interés al rango de trabajo del instrumento, será necesario entonces concentrar la muestra. Alternativamente se necesitará separar el analito de la matriz antes de la medición para reducir los efectos de las interferencias. Los métodos de concentración son: Evaporación Extracción líquido-líquido Separación por Intercambio Iónico Co-precipitación
19.4.1 Evaporación El tipo más común de técnica es evaporar la solución por ebullición de cierta cantidad de solvente para concentrar los metales, cuidando de no perder los elementos más volátiles. La desventaja de esta técnica es que la matriz también se concentra, lo cual produce interferencias tal como la absorción molecular y la dispersión en el paso de luz. Esta técnica no es adecuada para metales volátiles.
19.4.2 Extracción líquido -líquido La extracción líquido-líquido es otra técnica que concentra y separa la muestra de su matriz. Se usa el complejamiento de metales con un compuesto orgánico para concentrar la muestra. Luego de ajustar el pH los metales que están en solución son complejados con un agente apropiado tal como ditizona o ditiocarbonato de pirrolidinamonio (APDC) y es extraído en un solvente orgánico. El APDC forma complejos con una amplia variedad de metales de transición en un amplio rango de pH. Los solventes que se usan para AAS de llama son típicamente el metil isobutil cetona (MIBK) o la dietil isobutil cetona (DIBK). Otros solventes, sin embargo, tales como el cloroformo también podrían ser usados para AAS de horno. Por lo general los solventes orgánicos producen un efecto de mejora en la llama.
19.4.3 Separación por Intercambio Iónico
Puede usarse una técnica que use una resina de intercambio iónico para concentrar metales que se encuentren en un gran volumen de solución. Se ajusta el pH y el material de intercambio pierde iones Na + al intercambiarse por los metales. Los metales luego son eluídos y transferidos al equipo de AAS. Se usan resinas tanto aniónicas como catiónicas. El método consiste en pasar la solución que contiene el analito a pH ajustado a través de la columna de intercambio y luego eluirla con una solución de pH más bajo para sacar los metales de interés. Por lo general se requieren de varios lavados para asegurar que todos los metales hayan sido completamente liberados. El analito puede ser absorbido sobre la resina y luego la muestra puede ser medida en el horno de grafito.
19.4.4 Co Precipitación Este es otro procedimiento de separación especializado, en el cual el analito es precipitado con una sal insoluble. Se usan hidróxidos insolubles tales como el de Lantano y de Hierro. Para la medición de elementos tales como As, Se, Te y Bi en cobre se ha usado la co precipitación del hidruro que forman dichos elementos al reaccionar con el hidróxido de Lantano.
SECCIÓN 20: TÉCNICA DE LA FUSIÓN
Normalmente las fusiones y la ignición de precipitados se llevan a cabo en un crisol en mufla, aunque también se usan mecheros a gas. Si se quiere evitar daños al crisol de Platino deben aplicarse ciertas condiciones. Pueden usarse una variedad de materiales para el crisol, de los cuales el de Platino puro es el más común y también el más caro.
20.1
Uso de los Crisoles de Platino El metal Platino es inerte a la mayoría de reactivos y materiales que se encuentran en las muestras y puede soportar temperaturas de más de 1000°C. No obstante, deberán tomarse ciertas precauciones para asegurar que los crisoles tengan larga vida. El cono interno de una llama Bunsen no debe tocar el Platino en ningún punto, de lo contrario se forma un carburo de Platino y éste se volverá quebradizo. Por la misma razón nunca deberá usarse una llama amarilla. Los mecheros Meker y Amal son preferibles a los mecheros Bunsen porque combinan una llama muy caliente con una pequeña llama reductora. El Platino se vuelve permeable a los gases de la llama a altas temperaturas y la sustancia dentro del crisol podría se reducida. Si se tapa el crisol cuando es calentado, se producirá una atmósfera fuertemente reductora. Así, el óxido de Hierro (III) calentado de esta manera se reduce parcialmente a su estado metálico, el cual forma una aleación con el Platino. La superficie del Platino siempre se opacará cuando es calentado, debido a la formación de una película de óxido de Hierro (III), a menos que el crisol primero sea lavado con ácidos. Las manchas de Hierro pueden sacarse calentando 1 g de NH 4Cl en el crisol tapado, usando el máximo calor del mechero. También es efectivo para esto la fusión con bisulfato de Potasio. Los crisoles de platinos que son nuevos deberán ser hervidos con HCl antes de su uso, para eliminar el Hierro que pudiera formar aleación cuando se calienta. Durante el proceso de calentamiento, los recipientes de Platino no deben colocarse sobre soportes metálicos, ni colocarse sobre gasa de alambre de Fierro o sobre una placa metálica en la parte frontal de la mufla, o sobre cualquier superficie sucia mientras son enfriados. Pueden hacerse soportes adecuados y placas de enfriamiento con sílica, escoria o materiales refractarios similares. Los crisoles calientes no deben se enfriados sumergiéndolos en agua fría. Siempre debe usarse pinzas con punta de Platino para manipular los instrumentos o el material de Platino. Puede usarse pinzas de Níquel sólido para manipular de forma segura el Platino a calores que estén por debajo del rojo. No deberán usarse pinzas de Hierro o Níquel.
20.1.1 Ignición de Precipitados Los precipitados húmedos, envueltos en papel filtro pueden ser secados colocando el crisol sobre la placa frontal de una mufla caliente. Idealmente el papel filtro y la materia orgánica son inicialmente carbonizados al colocar el recipiente de platino cerca de la puerta abierta de la mufla hasta que casi todo el material carbonáceo haya sido volatilizado. Luego se coloca en la parte caliente de un horno bien ventilado para completar la ignición. Si se sigue esta técnica se evitará daños al Platino.
20.1.2 Fundentes para las fusi ones Los fundentes ácidos atacan al Platino, menos que los fundentes alcalinos y se les recomienda cuando se determina Hierro en silicatos. Como todos los fundentes atacan ligeramente al Platino, debe medirse trazas de Platino en la solución final. Pueden usarse los siguientes fundentes en el material hecho de Platino, siempre que se mantengan las condiciones oxidantes y la sustancia esté libre de materia orgánica. Carbonato de Sodio o de Potasio – ataca muy ligeramente. Carbonato de Sodio mezclado con nitrato o nitrito – ataca ligeramente. Borax – peligroso a altas temperaturas Bisulfato de Sodio o de Potasio – ataca ligeramente por encima de los 700°C lo cual puede minimizarse por la presencia de sulfato de amonio. Fluoruro ácido de Sodio o de Potasio – ataca de forma extremadamente suave. Metaborato de Litio – ataca de forma extremadamente suave.
20.1.3 Sustancias que podrían ser calentadas en platin o Los siguientes compuestos podrían ser calentados sin que haya un efecto significativo para el Platino: Sulfato de Bario, sulfatos u óxidos de metales que no se reducen fácilmente. Carbonatos y oxalatos de alcalino térreos. Cloruros de alcalinos y alcalino térreos. Si los cloruros de los alcalinos térreos se calientan por encima de 1000°C habrá alguna forma de ataque debido a que se libera Cloro en la unión aire/Platino.
Se pueden usar platos de Platino para evaporar: Ácido fluorhídrico, ácido sulfúrico con o sin ácido fluorhídrico. Ácido fluorhídrico y ácido nítrico en ausencia de otros haluros. Ácido clorhídrico en ausencia de agentes oxidantes. Soluciones de carbonatos e hidróxidos de metales alcalinos. Atmósferas de CO2, N2 y H2 no tienen efecto perjudicial.
20.1.4 Sustancias que atacan el plati no. 20.1.4.1 Áci dos El Platino es inmune al ataque de la mayoría de ácidos minerales simples. Se disuelve lentamente por calentamiento prolongado con ácido sulfúrico o fosfórico concentrados, aunque la acción sobre él es extremadamente lenta e insignificante. El agua regia y otras mezclas de ácido clorhídrico con agentes oxidantes disuelven fácilmente el Platino al calentarlo y por eso, esto debe evitarse.
20.1.4.2 Compuestos Reactivos Los compuestos de los siguientes aniones atacan el metal y no deben ser calentados en material de Platino. Los cianuros, hidróxidos, óxidos, peróxidos, nitratos y nitritos de los metales alcalinos. Los nitratos y nitritos de los metales alcalinos térreos. Los ferrocianuros y ferricuanuros de los metales alcalinos y metales alcalinos térreos. El carbonato de Litio forma fácilmente su óxido cuando se calienta, por eso, a diferencia de otros carbonatos alcalinos no puede ser calcinado en recipientes de Platino. Los siguientes no metales y metaloides también deberán evitarse: Los sulfuros o mezclas que contengan Azufre y una sustancia alcalina. El Fósforo, Arsénico, Antimonio y sus aleaciones. El pirofosfato de Magnesio ataca al Platino a temperaturas por encima de 900°C y los silicatos, sílica, alúmina y el óxido de Magnesio (magnesia) atacan
al Platino por encima de los 1500°C, por debajo de dicha temperatura no hay acción alguna.
20.1.4.3 Reactantes Metálico s No deberían usarse metales que forman aleaciones con el Platino cuando se calientan tales como Bismuto, Cobre, Oro, Plomo, Plata, Estaño, Zinc y metales básicos fundidos. Tampoco ningún compuesto de estos metales tales como óxido y sulfuro de Plomo, cloruro de Plata, óxido de Estaño, etc. los cuales son fácilmente reducidos. El Selenio, Azufre y Teluro no deberán calentarse en Platino ya que causan que el Platino se vuelva quebradizo. El calentamiento prolongado en una llama oxidante o en carbón ardiente, hulla o coque produce una película gris o negra que se esparce y podría conducir a que se formen rajaduras.
20.1.4.4 Efectos de los Gases Algunas atmósferas podrían afectar al Platino al calentarlo. Si el amoníaco está presente, la superficie del Platino se vuelve más oscura y desarrolla una apariencia cristalina porosa. Si se forma dióxido de Azufre o trióxido de Azufre, la superficie del Platino gradualmente se llega a cubrir de sulfuro platinoso. El Cloro convierte al metal en una masa porosa, como resultado de la formación y de la descomposición de cloruro platinoso. Los gases y vapores orgánicos altamente insaturados también desintegrarán al metal.
20.1.5 Limpieza del Platino El crisol de Platino puede hacerse hervir con ácido nítrico o clorhídrico en un vaso de precipitado cubierto con una luna de reloj. Los dos ácidos nunca deberán usarse juntos en mezcla en la misma solución. También puede usarse una mezcla de partes iguales de ácido fluorhídrico y ácido clorhídrico. Para eliminar los residuos insolubles de fusión, calentar el recipiente lleno de fluoruro ácido de Potasio, bisulfato de Sodio o Potasio, o bórax a temperaturas de fusión. La película gris o negra sobre el Platino puede sacarse puliendo con polvo de Plata o piedra pómez fina.
20.2
Crisoles hechos de otros metales 20.2.1 Crisol de Plata Los crisoles de Plata se recomiendan para la fusión con hidróxidos alcalinos ya que el Platino no es adecuado. El punto de fusión de la Plata es 960°C y se debe tener cuidado de no sobrecalentar el crisol. Éste es menos resistente que el Oro ante el ataque de hidróxidos fundidos.
20.2.2 Crisol de Oro El Oro tiene un punto de fusión de aproximadamente 1060°C y a veces se usa para hidróxidos alcalinos, ya que éste no es atacado en ninguna medida. Se ha recomendado su uso para abrir rocas de sílica para la determinación de Hierro.
20.2.3 Crisol de Níquel El Níquel puede usarse para fusiones con hidróxidos alcalinos y con peróxidos de Sodio. Es más resistente al peróxido de Sodio que los crisoles de otros metales. Los crisoles de Níquel no pueden usarse para pesar precipitados, ya que la superficie se llega a cubrir rápidamente de una película de óxido.
20.2.4 Cri sol de Hierro El Hierro se usa algunas veces en vez de los crisoles de Níquel para fusiones de peróxido de Sodio. Los crisoles de Hierro tienen una vida mucho más corta, pero son comparativamente más baratos.
20.2.5 Crisol de Grafito En este tipo de crisol podrían determinarse elementos que atacan al Platino en altas concentraciones tales como Cu y Pb. Los crisoles de grafito podrían usarse para fusiones con LiBO2. Aunque son menos caros, tienen una vida limitada.
SECCIÓN 21: ÁCIDOS A fin de elegir un ácido o mezcla de ácidos adecuada para disolver completamente la muestra, es importante conocer las propiedades de la matriz de la muestra y de los principales elementos y compuestos que la constituyen. La elección del ácido o mezcla de ácidos, se rige por la eficiencia de los agentes oxidantes y reductores para disolver la matriz. Para que sea eficiente, el ácido debe formar una sal soluble con el ión metálico que se determina. Los ácidos clorhídrico, perclórico y nítrico se usan comúnmente para digestar las muestras para análisis. También se usan combinaciones de estos ácidos. Por ejemplo para digestar material botánico, podría usarse una mezcla de ácido fluorhídrico y nítrico para llevarlos a disolución. También debería considerarse la interacción entre el ácido o mezcla de ácidos y el recipiente de digestión. Por ejemplo el ácido fluorhídrico no debería usarse en recipientes de cuarzo o de vidrio. En el campo de las microondas debe considerarse la estabilidad de un ácido, la presión de vapor, y la interacción de ácidos combinados antes de juntar la energía del microondas con el ácido en plásticos transparentes para microondas cerrados. El ácido sulfúrico tiene un punto de ebullición relativamente alto (339°C) y puede fundir la mayoría de plásticos.
21.1
Ácidos Simples 21.1.1 Ácido Clorhídric o El ácido clorhídrico concentrado (HCl) es excelente para algunos óxidos metálicos y metales que se oxidan más fácilmente que el hidrógeno. El ácido clorhídrico a altas presiones y temperaturas ataca muchos silicatos y numerosos óxidos, sulfatos y fluoruros refractarios, para producir generalmente sales solubles de cloruros. Puesto que el ácido clorhídrico concentrado no es un ácido oxidante, no se usa para digestar materiales orgánicos, aunque éste es un ácido efectivo para compuestos básicos tales como aminas y alcaloides en soluciones acuosas y algunos compuestos organometálicos. El ácido clorhídrico se usa para hidrolizar productos naturales para el análisis de aminoácidos y carbohidratos. Bajo altas presiones o en presencia de oxidantes fuertes, el ácido clorhídrico podría descomponerse para producir gas Cloro. Podría usarse recipientes de teflón PFA a altas temperaturas con ese ácido.
21.1.2 Ácido Fluorhídric o El ácido fluorhídrico (HF) se usa para disolver materiales a base de sílica. Los silicatos son convertidos a SiF4 el cual puede ser evaporado dejando libres los demás
elementos de interés. El ácido fluorhídrico puede combinarse con otros ácidos para evitar que la sílica se quede unida a los elementos en traza en matrices biológicas y botánicas. Como el ácido fluorhídrico tiene un punto de ebullición bajo de 106°C para una solución al 49% w/w y una presión de vapor alta, se evapora fácilmente. En recipientes cerrados se obtiene una presión parcial de casi 8 atmósferas a 180°C. Si la concentración del ión fluoruro es alta se forman complejos de fluoruros metálicos estables y pueden mantenerse en solución. Los fluoruros de tierras raras son muy poco solubles y pueden perderse de la solución bajo dichas condiciones. Quienes manipulen ácido fluorhídrico deberán ser conscientes de su naturaleza riesgosa. Este es venenoso y puede ser absorbido en el cuerpo si se deja en contacto con la piel, causando severas quemaduras. Deberá usarse ropa protectora adecuada. Si el HF llega a tener contacto con la piel debe lavarse inmediatamente. Se requerirá también de un sistema de extracción de campana de humos.
21.1.3 Ácido Nítrico El ácido nítrico (HNO3) es un agente oxidante fuerte que puede obtenerse en alta pureza que es adecuada para análisis en nivel de trazas. Puede usarse para liberar elementos en traza de matrices botánicas y biológicas para formar sales de nitrato altamente solubles. Ya que el ácido nítrico tiene un punto de ebullición relativamente bajo de 120°C, las descomposiciones consumen mucho tiempo cuando se llevan a cabo en recipientes abiertos. A fin de romper una matriz orgánica compleja, por lo general se hace necesario llegar a una temperatura por encima de 120°C o adicionar otro agente oxidante tal como ácido perclórico o peróxido de Hidrógeno. Bajo la excitación de la energía del microondas, el ácido nítrico puede alcanzar una temperatura de 176°C que es más de 50°C por encima de su punto de ebullición. La presión obtenida en el recipiente cerrado a esa temperatura está bajo 5 atmósferas. A esta temperatura y presión se alcanzan sustanciales aumentos en su potencial de oxidación, produciéndose reacciones más rápidas.
21.1.4 Ácido Perclórico El ácido perclórico concentrado (HClO 4) es un agente oxidante fuerte que descompone completamente los materiales orgánicos y ataca los metales que no responden ante otros ácidos. El ácido caliente se usa para llevar los elementos a su estado de oxidación más alto. Se requieren de precauciones de seguridad extremas al usar este ácido concentrado, particularmente a temperaturas elevadas. El ácido perclórico concentrado es potencialmente explosivo cuando entra en contracto con materiales orgánicos y oxidan fácilmente a los inorgánicos. El ácido perclórico concentrado frío y el ácido perclórico diluido caliente son menos peligrosos. Ya que este riesgo existe se deben cumplir las especificaciones y estándares necesarios para trabajar con campanas de humos y ductos de trabajo.
Ya que el ácido perclórico caliente reacciona explosivamente con la materia orgánica, este ácido no debe usarse en el sistema de microondas. El uso de este ácido bajo condiciones de calentamiento por microondas tendrá que ser estudiado específicamente ya que el perfil de temperatura y presión es diferente al de otros ácidos. Luego del calentamiento, el recipiente de teflón PFA, requiere enfriamiento con nitrógeno líquido y eliminación del gas Cloro. Han ocurrido accidentes usando métodos convencionales con condiciones de calentamiento suaves, por eso el aumentar rápidamente la temperatura de este ácido es claramente un riesgo potencial.
Precauciones de Seguridad No añadirlo a muestras orgánicas calientes. El HNO3 se añade primero para oxidar los compuestos orgánicos fácilmente oxidables. Una vez que se haya enfriado la solución, podrá añadirse entonces el ácido perclórico. Si se mantiene el HNO 3 en un exceso de HClO4, en la solución, esta solución será más segura. Calentar HClO4 y compuestos orgánicos podría causar una explosión violenta. Evitar digestiones repetidas dentro de campanas de humos hechas de madera ordinaria. Las campanas de humos de acero inoxidables son adecuadas, si se dispone de amplios lavaderos. Nunca deje bullir hasta sequedad las muestras que contienen HClO 4 . El peligro del ácido perclórico surge del contacto con compuestos hidroxílicos que dan lugar a ésteres de perclorato inestables. Otro grupo de compuestos que son particularmente riesgosos con ácido perclórico son las grasas o las ceras. A alta temperatura las grasas se hidrolizan para producir un alcohol que se descompone instantáneamente.
21.1.5 Ácido Fosfóric o El ácido fosfórico (H3PO4) digestará metales alcalinos, un amplio rango de escorias de Aluminio y minerales de Cromo y Hierro. Este ácido ha sido usado para digestar aleaciones a base de hierro para constituyentes específicos en traza que se habrían volatilizado al usar ácido clorhídrico. Para el ácido fosfórico se puede alcanzar temperaturas de 240°C con sólo 3 atmósferas de presión parcial. Su baja presión de vapor, permite obtener temperaturas relativamente altas sin que se dañe el recipiente de digestión.
21.1.6 Ácido Sulfúric o El ácido sulfúrico concentrado (H 2SO4) se usa para la descomposición de aleaciones, hidróxidos, óxidos inorgánicos, metales, minerales y tejidos orgánicos. El ácido sulfúrico concentrado es uno de los pocos ácidos que puede fundir al teflón PFA antes de que ebulla, en consecuencia se requiere un monitoreo cuidadoso de la temperatura. El ácido sulfúrico concentrado destruye casi todos los compuestos orgánicos. Cuando la temperatura aumenta unos cuantos grados por encima de su punto de ebullición de 339°C para una solución que contiene 98.3% w/w de H 2SO4, el tiempo de digestión se acorta.
21.1.7 Ácido Tetrafluoro bórico El ácido tetrafluorobórico (HBF 4) se usa para la descomposición de muestras geológicas que contienen silicatos lo cual requiere un ataque a alta temperatura. A 227°C la presión parcial del ácido tetrafluorobórico en un recipiente cerrado es de sólo 5.7 atmósferas. Una ventaja de usar ácido tetrafluorobórico en vez de ácido fluorhídrico es que pueden alcanzarse temperaturas mucho mayores sin necesidad de presiones altas y sin que se descomponga el ácido.
21.2
Ácidos Mixtos Las combinaciones de ácidos tanto en recipientes abiertos como cerrados se eligen por su capacidad de descomponer los componentes individuales de una matriz en particular y de disolver las sales elementales complejas que se forman con un segundo ácido. El cálculo de la temperatura para una mezcla de ácidos requiere del conocimiento de la capacidad de calentamiento de aquella muestra. Hoy en día se han evaluado temperaturas y presiones de ácidos mixtos para el ambiente en microondas. El ácido nítrico, el clorhídrico y fluorhídrico tienen puntos de ebullición relativamente bajos y grandes presiones parciales acompañantes. El ácido fosfórico, sulfúrico y fluorobórico tienen presiones parciales bajas a temperaturas comparables y puntos de ebullición relativamente altos. Si se combina un ácido de cada grupo, puede producirse una mezcla que tenga una presión parcial menor que aquella del ácido que ebulle a menor temperatura. Las presiones de vapor de una solución podrían ser disminuidas mezclando ácidos. Se han usado las siguientes combinaciones de ácidos. Ácido nítrico y fosfórico para tejidos. Ácido nítrico y fluorhídrico para muestras biológicas y botánicas. Ácido tetrafluorobórico con una mezcla de ácido nítrico y fluorhídrico para lodos. Agua regia para relaves de minas y muestras geológicas. Cuando se descomponen materiales orgánicos en recipientes cerrados con ácidos, las presiones que se obtienen son mayores que las obtenidas con materiales altamente oxidables tales como ciertas aleaciones, cerámicas y minerales. Es importante monitorear el aumento de temperatura y presión durante el proceso de digestión. Cuando se determina la cantidad de material que puede ser digestado de manera segura, el material podría ser descompuesto con confianza de manera rutinaria.
SECCIÓN 22: TÉCNICAS DE DIGESTIÓN CON MICROONDAS Muchas de las técnicas de digestión de muestras que se usan actualmente han sido usadas alrededor de casi 100 años. El calentamiento de las muestras en vasos de precipitado abiertos sobre llamas de mechero y planchas de calentamiento es una práctica que se sigue usando ampliamente. El procedimiento de digestión es tedioso, consume tiempo y es laborioso. Algunos de los procedimientos de digestión ácida, tal como aquellos que involucran al ácido perclórico son potencialmente riesgosos. Existe sin embargo una alternativa y es la de la técnica de digestión con microondas que es tanto más rápida como más segura. El sistema de microondas funciona mediante el uso de una combinación de ácidos, temperatura y presión. Un recipiente transparente para microondas que se usa para la disolución ácida deberá estar hecho de perfluoroalcoxi (PFA) teflón [poli(tetrafluoroetileno)]. Esta técnica ha sido usada satisfactoriamente para: Disolución ácida de huesos. Tejidos biológicos. Matrices Botánicas Aceros. Especies geológicas tales como minerales, circonios y rocas. Suelos. Muestras ambientales. Metales en sedimentos Puesto que la muestra raramente se introduce al instrumento en forma sólida, la matriz de la muestra necesita ser destruida o descompuesta con ácido. Para la AAS de llama la muestra siempre tiene que ser presentada al instrumento en forma de solución. Aunque se han usado muchos métodos de muestreos sólidos con el AAS de horno de grafito, esto tiene en general una aplicación limitada y las muestras se introducen en forma de solución. La técnica de digestión por microondas tiene varias ventajas, como las siguientes: Los tiempos de digestión son más rápidos, más controlables y factibles de ser automatizados. Las disoluciones con microondas tienen velocidades de reacción más rápidas con temperaturas más altas que las digestiones convencionales y están selladas dentro del recipiente.
Los recipientes están hechos de un polímero inerte, el cual no puede contaminar la muestra o absorber energía del microondas. Las tapas están diseñadas para que tengan una ventilación segura en caso de que se produzca un exceso de presión. La contaminación se ve reducida ya que el recipiente está sellado durante la digestión y no se pierden los elementos volátiles. Con los procedimientos de disolución ácida a vaso abierto se pierden cantidades significativas de Arsénico, Boro, Cromo, Mercurio, Antimonio, Selenio y Estaño a temperaturas relativamente bajas. Es posible usar cantidades pequeñas de reactivos reduciendo así la contaminación, y obteniendo así una disminución de los valores de los blancos a comparación de las digestiones a vaso abierto.
SECCIÓN 23: DIGESTIÓN DE MUESTRAS METALÚRGICAS
La digestión por microondas es un medio particularmente efectivo de acelerar la disolución de muestras metálicas. Idealmente las muestras deberían estar en forma de polvo, sin embargo, los metales podrían ser alambres finos, virutas, limaduras o ralladuras. Para la mayoría de análisis por lo general son adecuados ácidos concentrados de grado reactivo, sin embargo, para determinaciones de elementos en trazas se recomiendan ácidos ultrapuros. Las muestras metalúrgicas interactúan en una diversidad de maneras con la radiación del microondas. Muchos metales y muestras metalúrgicas se disuelven de manera segura mediante los métodos de microondas y no presentan dificultad alguna, sin embargo las aleaciones a base de Hierro chisporrotean cuando se someten a la radiación de microondas. Si la disolución se lleva a cabo en un recipiente cerrado el chisporroteo puede presentar un serio riesgo para la seguridad ya que el gas hidrógeno producido puede incendiarse. Cuando se intenta digestar una muestra por primera vez, deberá dejarse que el ácido y la muestra reaccionen completamente, antes de colocar el recipiente abierto en el horno de microondas. Si se requiere un recipiente cerrado, se debe purgar todo el oxígeno del recipiente. Para las muestras de acero, se requiere una técnica de adición múltiple y la muestra deberá ser expuesta al microondas por un período mínimo de tiempo. La muestra puede hacerse reaccionar en un vaso de precipitado abierto durante 2 minutos y en el horno de microondas por 1 minuto adicional, seguido de una segunda adición de ácido y luego retornar la muestra al horno de microondas por otro minuto adicional. Este proceso se repite para obtener la disolución. Como no puede usarse recipientes de teflón para mezclas con ácido sulfúrico caliente, se prefiere usar vasos de precipitado de vidrio altos.
23.1
Acero Los aceros son aleaciones a base de Hierro que contienen cantidades diversas de C, Ni, Cr, Mn y otros elementos. Como existe una amplia variedad de tipos de acero, no puede usarse un procedimiento simple, sin embargo podría usarse agua regia y ácido perclórico para digestar muchas muestras de acero.
23.2
Escorias Refractarias de Cobre Las escorias que consisten principalmente de SiO 2, CaO, Al2O3, Fe2O3 y una gran cantidad de otros constituyentes menores y en trazas, son subproductos de la producción comercial de metales a partir de minerales. Las escorias, los vidrios y otros materiales silicatados amorfos se disuelven fácilmente bajo condiciones de microondas sin que se pierda el SiF 4 volátil. La mezcla ácida que contiene HF puede ajustarse para que se iguale a las concentraciones variantes de Si en la muestra. El ácido bórico
compleja el HF que no ha reaccionado, redisuelve los fluoruros precipitados, actúa como un modificador de matriz para el AAS, y permite usar material de vidrio convencional para guardar las soluciones de las muestras propuestas.
23.3
Super Aleaciones Las aleaciones resistentes al calor y a la corrosión a base de Ni, Cr y Co se disuelven fácilmente en pocos minutos al usar técnicas de microondas, pero podrían requerir muchos días si se usan los métodos convencionales de digestión ácida. Se deberá tomar cuidado ya que los metales generan grandes volúmenes de gas durante la digestión ácida para ventilar así dichos gases cuando se abra un recipiente sellado. El recipiente deberá ser enfriado en un baño de hielo y luego cuidadosamente abierto en una campana de humos.
23.4
Soldadur a de Pb y Sn Algunos materiales que se disuelven fácilmente contienen constituyentes que tienen diferentes solubilidades. Si se disuelve una soldadura de Pb-Sn y se calienta con HNO3 y HF, el estaño precipitará en forma de ácido metaestánico y el Plomo precipitará como PbF2. Para evitar la precipitación del PbF 2, se usa HBF4 en presencia de HF y se disminuye la temperatura por adición de un cubo de hielo a la mezcla en reacción. Como el hielo no absorbe las microondas, el metal se disolverá en la interfase ácidomuestra metálica caliente, mientras que el resto de la masa de la solución se mantiene fría.
23.5
Desechos de TiO2 Como el desecho de TiO 2 contiene 50% de carbono y 50% de dióxido de Titanio con trazas de Fe, Nb, Ta, Th, U y V, se debe evitar el uso de HF para que no haya precipitación de fluoruros de U y Th. Altos niveles de carbono también pueden interferir en la recuperación de los metales. La muestra es calcinada para eliminar el Carbono y es fundida en un crisol de circonio con peróxido de Sodio. Los productos de fusión se disuelven fácilmente en ácidos minerales. Nunca deberán usarse fusiones para la disolución si se alcanza el objetivo con tratamiento ácido ya que las soluciones de fusión frecuentemente están contaminadas con un alto nivel de sales de Ca, K y otros elementos. Las soluciones de fusión requerirán que se igualen las matrices en el contenido de fundente en las soluciones de los estándares y las muestras.
SECCIÓN 24: DIGESTIÓN DE MUESTRAS GEOLÓGICAS La digestión de muestras geológicas es complicada debido a la variedad de tipos de muestras. Muchos minerales como el cromito, el ilmenito y el cuarzo son extremadamente resistentes a los ácidos y difíciles de disolver, aún con técnicas de microondas. Para este tipo de muestras normalmente se usa una técnica de fusión que emplee Na2O2 o Li2B4O7. Se requiere Na2O2 fundido cáustico para el cromito altamente refractario mientras que el cuarzo y minerales similares pueden ser fundidos con Li2B4O7. Luego de que el material haya sido fundido con el fundente, se usa un ácido para disolver los elementos de interés.
24.1
Roca Fosfórica Como las rocas fosfóricas contienen altos niveles de Calcio y Silicio, el HF que se usa para disolver el Silicio podría precipitar el CaF 2. Sin embargo si el contenido de Calcio es >50%, el KF2 podría no redisolverse luego de la adición de ácido bórico. Si se usa HBF4 en lugar de HF, puede evitarse la precipitación del CaF 2. También se usa ácido nítrico en presencia de HBF 4. Mediante esta técnica es posible preparar cemento Pórtland y escorias de alto contenido de Calcio.
24.2
Minerales de Estaño Muchos minerales contienen 80% o más de cuarzo y son resistentes al ataque ácido, incluyendo HF. Para algunos minerales la digestión por microondas puede lixiviar la fracción metálica proveniente del cuarzo, aunque en otras el Estaño es resistente a la lixiviación hecha con HF solo y para evitar que el Estaño se hidrolice no deberá usarse HNO3. Se requiere una fusión con Li2B4O7 en un crisol de Platino, seguido de un calentamiento con HF y H2O.
24.3
Minerales de Sulfuro Estos minerales consisten de sulfuros de Cobre, HNerro y níquel, con cantidades variables de minerales silicatados. Para la recuperación total del Selenio y el Arsénico para el análisis, es necesario disolver los sulfuros. La muestra se digesta bajo presión con HNO3 el cual evita la pérdida de los cloruros volátiles de estos elementos. La digestión final de la muestra se completa con HCl. Este método es útil para determinar minerales de sulfuro de minas, moliendas y fundiciones.
24.4
Minerales de Oro Para determinar Oro se requiere una muestra de gran tamaño >25 g. En el mineral el Oro podría estar presente como metal, aleación o algún tipo de compuesto que hace inadecuada la digestión ácida. Para extraer el Oro de sus minerales sulfurosos podría
ser necesario usar una digestión con agua regia para la recuperación total. Luego de este procedimiento preliminar, se lleva a cabo una extracción con HBr-Br 2 seguida de una extracción con metilisobutilcetona (MIBK).
SECCIÓN 25: A NÁLISIS DE AGUA
Para el análisis de elementos en aguas, es importante añadir el tipo y la cantidad correcta de ácido. El ácido incorrecto podría producir una pérdida o una baja recuperación del metal en la muestra. Un factor importante a considerar es a qué nivel de concentración es más probable que se encuentre el metal. Si se espera que el elemento esté en el nivel bajo de partes por billón (ppb) o ng/g entonces será importante la concentración del ácido ya que es más probable que la muestra vaya a tener que ser determinada mediante ETA. La concentración del ácido no deberá ser más del 3% aproximadamente de ácido total en la muestra final, tal que la vida del tubo de grafito no se acorte severamente y que no se introduzcan efectos de interferencias. Cuando se recolecta una muestra, se tiene que hacer una decisión de qué fracción va a ser retenida para que sea analizada para metales disueltos, suspendidos, totales o extractables con ácido. Esto determinará si la muestra deberá o no ser filtrada antes de la adición del ácido y qué ácido se va a usar. Es importante lavar el frasco o recipiente de la muestra con ácido y enjuagar con agua desionizada antes de la recolección de la muestra para eliminar contaminantes. Si la muestra no se acidifica apropiadamente, podría haber pérdida de metales debido a su adsorción sobre las paredes del frasco. Para la recolección de la muestra podrían usarse frascos hechos de PTFE, polipropileno o polietileno lineal con tapas de polietileno. El uso de vidrio borosilicato también es aceptable aunque deben evitarse el uso de tapas de baquelita con “liners” de metal. Los frascos de vidrio blando no deben usarse para muestras que contienen metales en el rango de microgramos/litro. Para la determinación de Plata deberán usarse frascos oscuros o frascos de vidrio que absorben luz. Los frascos de vidrio y el equipo de filtración deberán ser enjuagados con ácido antes de su uso. Ya que el Aluminio es lixiviado del material de vidrio, podrá usarse alternativamente equipos y vasos de precipitado de PTFE o de polipropileno.
25.1
Preservación de las muestras de agua La muestra debe filtrarse antes de adicionar el ácido si sólo se requiere para el análisis de metales disueltos. La muestra deberá entonces ser acidificada inmediatamente con ácido nítrico concentrado (HNO 3) hasta pH <2. Normalmente es suficiente añadir 1.5 ml de ácido grado AnalaR por cada litro de muestra para preservaciones de corto plazo. Para muestras que son alcalinas o tienen una alta capacidad amortiguadora, deberá añadirse 5 ml del ácido concentrado. Si se va a analizar metales tanto disueltos como suspendidos, el filtro con el residuo de sólidos suspendidos deberá ser secado y luego digestado tan rápido como sea posible. Las muestras que contienen Mercurio podrían ser estables sólo hasta 5 semanas. Para preservar mercurio en la muestra deberá añadirse a la muestra 2 ml de solución
de K 2Cr 2O7 al 20% w/v en ácido nítrico al al 50% v/v por cada litro de muestra. muestra. Evitar el almacenamiento de la muestra en refrigeradoras contaminadas con Mercurio. Las muestras de agua no deberán ser guardadas en frascos de plástico en laboratorios contaminados con Mercurio ya que los vapores de Mercurio pueden pasar a través de los frascos de plástico y subsecuentemente podrían causar un aumento de Mercurio en la muestra.
25.2 25.2
Tratamiento de Separació Separación n de la Muestra Para determinar metales disueltos en una muestra no acidificada, filtrar el agua a través de un filtro de membrana de 0.45 μm. El agua que pasa a través del filtro contendrá los metales disueltos. El material que queda retenido en el filtro de membrana de 0.45 μm contiene los metales suspendidos. suspendidos. Los metales totales incluyen todos todos los metales que tienen tanto enlaces inorgánicos como orgánicos, y que están disueltos o en partículas, estos metales totales se obtienen luego de la digestión de la muestra entera. Los metales extractables son aquellos que se obtienen cuando se añade un ácido diluido caliente a la muestra antes de filtrarla. El ácido nítrico grado GPR parece ser adecuado para enjuagar y remojar el material de vidrio. Para el pretratamiento de la muestra sólo deberá usarse ácidos de alta pureza tales como Analar o Aristar. Luego de acidificar la muestra, almacenarla en una refrigeradora a 4°C para evitar la pérdida de volumen debida a la evaporación. Las muestras son estables hasta por 6 meses si los niveles de metales son de varios ppm. Para muestras que contienen metales en el rango de ppb, la muestra deberá analizarse tan rápido como sea posible después de haber sido recolectada. Evitar la contaminación del agua desionizada, del frasco de recolección, los filtros de membrana y de los embudos de filtración. filtraci ón. El frasco que se usa para la recolección de la muestra debe ser escrupulosamente escrupulosa mente lavado con un detergente no iónico libre de metales, enjuagado al menos 6 veces y remojado en un baño ácido por 24 horas. El baño ácido deberá contener ácido nítrico HNO 3 al 50% para el caso de frascos de cuarzo, PTFE o vidrio. Pueden usarse otros ácidos como el HCl al 50% preparado por adición de una parte de HCl concentrado con una parte de H 2O o de agua regia (3 partes de HCl concentrado + 1 parte de HNO 3 concentrado). Se recomienda que los frascos de vidrio deban ser calentados y mantenidos a 70°C por 24 horas. Se puede usar ácido crómico o sustitutos libres de Cromo para eliminar la materia orgánica del material de vidrio el cual se enjuaga luego con HNO 3 para eliminar el Cr y finalmente finalment e se enjuaga varias veces con agua desionizada. No usar ácido crómico en recipientes de plástico plástico si se va a determinar determinar Cromo. Para materiales materiales plásticos usar ácido HNO3 al 50% o bien HCl al 50%. Siempre se deberá usar agua desionizada para enjuagar, para preparar estándares y para la dilución de las muestras.
Siempre existe la posibilidad de contaminación a través del aire tales como partículas de polvo, hollín y aerosoles que hay en el ambiente del laboratorio. Para tener un ambiente limpio, se requiere una campana de humos de alta calidad y un sistema de extracción extracci ón así como ductos de aire limpio de flujo laminar. Esto se hace particularmente importante cuando se miden niveles bajos de μm/litro (ppb) de metales usando un horno de electrografito. Se corren blancos que incluyen al ácido o reactivos que participan durante el proceso de digestión para determinar así los niveles de impureza. Basta sólo con que una partícula de polvo que contenga cadmio aterrice sobre el tubo de grafito de un ETA para que se produzca una respuesta positiva.
25.3 25.3
Preparación de Muestras Una muestra tan aparentemente descomplicada como el agua puede ser tratada con diferentes ácidos dependiendo de los metales de interés que se quieran analizar. Preparar siempre blancos para cada digestión ácida que se lleve a cabo. Correr los ácidos y los reactivos a través del mismo procedimiento de digestión que se le hace a la muestra. Si los ácidos y los reactivos reactivos dan valores valores de absorbancia absorbancia positiva, positiva, estos valores pueden ser restados de los del resultado de la muestra. El ácido nítrico es uno uno de los ácidos ácidos más útiles para para la digestión. digestión. Los iones nitratos nitratos producidos en solución son una matriz aceptable tanto para el AAS de llama como para el ETA. Por lo general el ácido nítrico es suficiente suficient e para oxidar fácilmente a los compuestos oxidables. Para la digestión completa de la muestra podría necesitarse otros ácidos tales como el perclórico, sulfúrico y clorhídrico. Sin embargo algunos de estos ácidos pueden interferir con el análisis de algunos metales y no son tan buenos como la matriz de HNO3 para la atomización electrotérmica. Las combinaciones de HNO3/H2SO4 ó HNO3/HCl son adecuadas para oxidar fácilmente la materia orgánica. orgánica. El HNO3/HClO4 ó el HNO3/HClO4/HF son adecuados para la materia orgánica o para minerales que son más difíciles difíci les de oxidar. Podría ser necesario secar hasta cenizas algunas muestras, si están presentes grandes cantidades de materia orgánica. Es importante confirmar la recuperación del metal para cada digestión y para cada procedimiento analítico usado.
25.4 25.4
Metales Disuelt os por Llama Aire/Acetileno Air e/Acetileno Los siguientes elementos pueden determinarse directamente por AAS de aire/acetileno: Sb, Bi, Cd, Ca, Cs, Cr, Co, Cu, Au, Ir, Fe, Pb, Li, Mg, Mn, Ni, Pd, Pt, K, Rh, Ru, Ag, Na, Sr, Tl, Sn y Zn. Para la determinación de Ca o de Mg añadir lantano como agente liberador.
25.5 25.5
Extracción Líquido/Líquido antes de la AAS de Llama Los siguientes metales pueden determinarse mediante esta técnica si están presentes en niveles bajos: Cd, Cr, Co, Cu, Fe, Pb, Mn, Ni, Ag y Zn. El método consiste en la quelación con ditiocarbamato de pirrolidin amonio (APDC) y extracción con metil isobutil cetona (MIBK), seguido de la aspiración hacia el interior de la llama. Esto se realiza normalmente ajustando el pH de la muestra y del blanco de agua, al mismo pH de los estándares. Para obtener una óptima eficiencia de extracción de los elementos, se recomiendan los siguientes rangos de pH (19). Elemento Ag Cd Co Cr Cu Fe Mn Ni Pb Zn
Rango de pH para extracci ón ópti ma 2-5 (complejo inestable) 1-6 2-10 3-9 0.1-8 2-5 2-4 (complejo inestable) 2-4 0.1-6 2-6
El valor de pH óptimo es 2.3 ± 0.2 para la extracción de Ag y Pb. El complejo de Mn se deteriora rápidamente a temperatura ambiente, pero puede preservarse por unas cuantas horas si se enfría hasta 0°C.
25.6 25.6
Determinación Determinación Directa con Óxido Nitroso/Acetileno Este procedimiento puede usarse para los siguientes metales: Al, Ba, Be, Mo, Os, Rh, Si, Th, Ti y V. Puede añadirse un buffer de ionización adecuado tal como el fluoruro de Potasio tanto a la muestra como a las soluciones estándar para las determinaciones de Al, Ba, Mo, Ti y V.
25.7 25.7
Extracción Previa Previa a la Determinación Determinación en en Óxido Nitros Nitros o/Acetileno Por este método pueden determinarse concentraciones de Al menores que 900 μm/litro y Be a concentraciones concentrac iones menores que 30 μm/litro (30 ppb). Se lleva a cabo la quelación con 8-hidroxiquinolina y se extrae con metil isobutil cetona (MIBK), para su aspiración directa en una llama de óxido nitroso/acetileno.
Las concentraciones de Fe mayores de 10 mg/litro interfiere al suprimir la absorción del Al. La adición de clorhidrato de hidroxilamina / 1,10-fenantrolina reduce de manera efectiva la interferencia debida al Hierro. Si se deja sedimentar soluciones turbias, no interferirán concentraciones de Mn de hasta 80 mg/litro. A pH 8.0 el Mg forma un quelato insoluble con la 8-hidroxiquinolina y el complejo de Al es eliminado bajo la forma de un precipitado. El complejo de Mg se forma lentamente de 4 a 6 minutos. Puede evitarse la interferencia debida al Mg sobre el Al si se extrae la solución inmediatamente después de añadir el buffer.
25.8
Determinación de Mercuri o en Agua de Mar, Salmueras y Afluentes con alto contenido de cloruros Todas estas soluciones salinas requieren una cantidad tan alta como 25 ml de KMnO 4 al 4% m/v para romper los compuestos de órgano-mercurio. Los cloruros son convertidos a gas Cloro libre durante el paso de oxidación. El Cloro libre puede eliminarse adicionando un exceso de sulfato de hidroxilamina y pasando Nitrógeno limpio a través de la muestra, antes de que el mercurio sea reducido. En esta etapa debe estar presente el cloruro estañozo o se observará una pérdida de Mercurio.
25.9
Método de Atomización Electrotérmica Este método es adecuado para niveles bajos de ppb de Ag, Al, As, Ba, Be, Cd, Co, Cr, Cu, Fe, Mn, Mo, NI, Pb, Sb, Se y Sn, siempre que se añadan modificadores de matriz adecuados. No podrá determinarse Sb ni Sn si se ha usado HCl para la digestión.
25.10 Metales por Generación de Hidrur os de Flujo Continuo Este método es adecuado para As, Se, Hg y otros metales volátiles que forman hidruros. El borohidruro de Sodio en presencia de HCl y el metal, producirá un hidruro del metal. El ácido arsenioso As (III) y el ácido selenioso Se (III) son convertidos instantáneamente a sus respectivos hidruros por el borohidruro de Sodio en solución ácida. El As (V) se reduce de forma relativamente lenta por el borohidruro de Sodio hasta As (III) a temperatura ambiente a un pH de 1 ó menor. La respuesta de absorción para el As (V) es mucho menor que la del As (III). Para determinar As total el As inorgánico deberá estar en el estado As (III). Durante la digestión ácida tanto las formas inorgánicas como orgánicas del As se oxidan hasta As (V) y luego son reducidas cuantitativamente hasta As (III) con yoduro de Sodio o de Potasio, antes de la reacción con el NaBH4. El estado de oxidación Se (VI) del Selenio no se puede medir al ser reducido por el borohidruro de Sodio, y es necesario reducir el Se (VI) que se forma durante el procedimiento de digestión ácida hasta Se (IV) por calentamiento con ácido clorhídrico.
Se debe tener cuidado de que el Cloro no reoxide el analito. La eficiencia de reducción depende de la temperatura, el tiempo de reducción y la concentración de HCl. La concentración del HCl y el tiempo de calentamiento deben ajustarse a fin de obtener respuestas iguales tanto para el Se (VI) después de la reducción como para las soluciones de Se (IV) de concentraciones iguales. La concentración de selenio en la mayoría de aguas naturales es menor de 10 μg/litro (10 ppb). Los suelos seleníferos pueden contener de 100 a muchos miles de microgramos de Selenio disuelto por litro. El Selenio volátil en la muestra puede determinarse luego de ser despojado con una corriente de aire o de Nitrógeno en peróxido de Hidrógeno alcalino. Para estimar el selenio en partículas suspendidas primero se debe determinar el Selenio total, filtrar la muestra y luego repetir el análisis para Selenio total en solución. Si la muestra filtrada tiene un color amarillo y un olor a sulfuro de Hidrógeno, podrían haber presentes selenopolisulfuros. Si el Selenio está presente en forma de selenopolisulturos, los resultados tendrán que ser comparados con el análisis de selenio total antes y después de la acidificación. La solución entonces es despojada con una corriente de Nitrógeno, se deja que sedimente por 10 minutos y luego se refiltra. El Selenio puede determinarse directamente en la muestra de agua filtrada. Normalmente el HCl convertirá el Se (VI) a Se (IV) y el valor calculado para el Se será la suma de estas dos especies. Podrían obtenerse un bajo resultado cuando las muestras contienen un agente enmascarante desconocido. Para evaluar este efecto podría usarse un método de adición de estándar con concentraciones conocidas de ambas especies. Si la recuperación es baja cuando se determina selenio orgánico, los interferentes orgánicos pueden ser eliminados pasando la muestra acidificada a través de una resina. Es posible que algunos compuestos de órgano-selenio puedan también ser eliminados por este tratamiento y para eso será necesario determinar el selenio total en la muestra no tratada. El Hierro interferente también puede ser eliminado con una resina de intercambio aniónico fuerte.
SECCIÓN 26: SUELOS Y LODOS
A todos los suelos se les puede hacer una trazabilidad hacia sus rocas padres, sin importar si están involucrados procesos de materiales sedentarios o transportados. Como resultado de dichos procesos todos los materiales que conforman la roca pueden aparecer en el suelo, además de los minerales que se forman como resultado de los procesos pedogénicos. Aunque existe una gran cantidad de minerales que podrían constituir un suelo predominan principalmente los silicatos y óxidos, excepto bajo circunstancias peculiares.
26.1
Método de Digestión para Suelos El principal método de digestión de suelos es usar agua regia que está formada normalmente de HCl: HNO3 (3:1) aunque también se han usado proporciones de 4:1 para lodos y suelos. Para suelos silicatados los metales constituyentes no pueden ser liberados por agua regia sola. Los metales que pueden ser recuperados con agua regia son: Zn, Cu, Ni, Cd, Cr, Pb, Co, Mn y Fe. Para muestras que son altamente calcáreas y espumantes, deberá añadirse más ácido nítrico antes de adicionar agua regia y calentar. Los suelos que contienen altos niveles de materia orgánica deberán ser calentados lentamente al comienzo. Los suelos con turba no pueden ser tratados de esta manera y deben ser calcinados a 450°C antes de la digestión. Debe tenerse en cuenta que el Cobre se pierde al calcinar. Debe usarse una fusión con carbonato de Sodio o disolución con HF para suelos no contaminados, ya que los metales presentes estarán en la matriz del suelo y no serán fácilmente solubilizados en los ácidos solos. Otros métodos de digestión ácida probablemente darán recuperaciones más pequeñas para suelos no contaminados.
26.2
Lodos Colocar un gramo de lodo que tiene aproximadamente 15% de sólidos totales, en un recipiente de digestión prepesado. Para determinar la muestra en base húmeda, repesar y calcular el peso de la muestra. Para determinarla en base seca, la muestra deberá ser secada hasta peso constante usando un horno al vacío a 100°C. Si la muestra tiene alta cantidad de sólidos, calcinar la muestra para eliminar la mayor parte de materia orgánica. Como la calcinación puede conducir a resultados con precisión y desviación variables dependiendo del tipo y tamaño de muestra y del metal que es analizado, esta técnica sólo se debe usar para muestras donde el metal no se pierde por volatilización.
26.3
Calcinación de Lodos
Para eliminar el agua residual, se coloca la muestra agitada o mezclada a una placa de vaporación de Platino o de sílica y se evapora hasta sequedad en un baño de vapor. La placa luego se coloca en una mufla y se calienta hasta que la muestra se convierte en una ceniza blanca. No calentar por encima de 400-450°C si se van a determinar elementos volátiles. Para la determinación de Sodio calentar hasta 600°C. La ceniza o el residuo que queda deberá disolverse en una mínima cantidad de HNO 3 concentrado y H2O tibia. Luego puede ser filtrada y llevada a volumen o enrazada en fiola de 100 ml con una concentración final de 1% de HNO 3.
PARTE IV
RECETARIO
SECCIÓN 27: RECETARIO
27.1
Introducción El recetario de absorción atómica contiene información para la elección de condiciones instrumentales y posibles efectos de interferencias para la determinación por llama, horno y vapor de todos los elementos que normalmente pueden medirse por espectrofotometría de absorción atómica. Es importante que la información aquí contenida sea usada como una guía para establecer las condiciones instrumentales, más que ser usado como una lista para establecer parámetros absolutos. Los datos dados para cada elemento se refieren a su determinación en solución acuosa. Dicho establecimiento de parámetros podría, en algunos casos, requerir de pequeños cambios debido a los efectos de interferencias causados por otros componentes que están presentes en las muestras reales. Los parámetros que se mencionan proporcionarán por lo tanto un punto de partida a partir del cual podrían establecerse rápida y fácilmente los parámetros óptimos para una determinación en particular. En las SECCIONES I – III del Manual de Métodos de AAS esta contenida información adicional acerca de los principios generales del tratamiento demuestra y acerca de la teoría e instrumentación de la espectrometría de absorción atómica.
27.2
Sensibilidades La sensibilidad, o concentración característica o masa característica, se define como la concentración o masa del elemento que generará una señal de 0.0044 unidades de absorbancia cuando se mide bajo condiciones instrumentales por defecto. Las sensibilidades en llama que se mencionan en el recetario son para un quemador Universal. El uso de un quemador de aire/acetileno aumentará la sensibilidad hasta en un factor de 2 cuando sea apropiado
27.3
Interferencias Se dan también algunos detalles de algunos efectos de interferencias que afectan la respuesta de un elemento en particular. Debe recordarse que los efectos de volatilidad y viscosidad de diversos solventes y soluciones de matrices afectarán la respuesta de todos los elementos. Dichos efectos podrían superarse mediante el uso de estándares de calibración que contengan la misma matriz y las mismas concentraciones de