Vítězslav Otruba 2010prof. Otruba 2 Energie ~100% populace Emise Absorce ~0% populace  Principem atomové absorpční spektrometrie (AAS) je absorpce záření volnými atomy v plynném stavu. Atomy analytu jsou do plynného stavu převáděny v atomizátorech. Volné atomy v základním stavu a v plynné fázi absorbují záření o určité vlnové délce. Energetická hodnota fotonů je charakteristická pro určitý druh atomů a počet absorbovaných fotonů je mírou množství stanovovaných atomů. Metoda umožňuje stanovení více než 60 prvků. 2010prof. Otruba 3  Absorbující volné atomy analytu musí být v plynné fázi  Elektronové přechody se řídí stejnými výběrovými pravidly jako v AES  Absorpční a emisní spektrální čáry jsou analogické  Při absorpci jsou významné pouze některé z těchto čar  Pro absorpci platí Lambertův-Beerův zákon ve tvaru Ф = Ф0.e-χ.l.N Ф ... tok záření po absorpci Ф 0 … tok vstupujícího monochromatického záření χ ... monochromatický absorpční koeficient l … délka absorbujícího prostředí N … počet volných atomů v základním stavu 2010prof. Otruba 4  2010prof. Otruba 5 2 – 10 pm 6 Walsh, "The application of atomic absorption spectra to chemical analysis", Spectrochimica Acta, 1955, 7, 108-117: • Eliminace spojitého pozadí zdroje – výbojka s dutou katodou • Atomizátor - plamen • Eliminace emise záření atomizátoru (plamene a excitovaných atomů analytu) – chopper 2010prof. Otruba 2010prof. Otruba 7 modulovaný zdroj záření Výbojky s dutou katodou Koncentrační závislost 8 A nelinearita Absorbance, Koncentrace, c neselektivní absorpce 2010prof. Otruba 2010prof. Otruba 9 2010prof. Otruba 10 2010prof. Otruba 11 Až 15 prvků: As/Pb, Se/Sn, Tl/Ag, Cd/Zn,Hg, Cr/Co/Cu/Fe/Mn/Ni  Výbojky emitují velmi úzké čáry s intenzitou až o několik řádů vyšší než HCL. Radiofrekvenční napájení (100 kHz- 100 MHz) vede ke vzniku skin efektu. Výboj probíhá těsně podél stěny výbojky. Jde o prstencový výboj a v prstencové vrstvičce se excitují atomy. 2010prof. Otruba 12 2010prof. Otruba 13 oProdukují 10x až 75x vyšší intenzity než HCL oDostupné i pro netěkavé prvky a jako víceprvkové oNutný přídavný zdroj výbojky oUžší čáry a nižší spektrální pozadí 2010prof. Otruba 14 Xenonová výbojka Absorpční spektrum Sluneční atmosféry  Výhody: jeden zdroj pro všechny stanovované prvky, možnost proměření neselektivní absorpce (pozadí)  Nevýhody: vysoké požadavky na intenzitu záření zdroje a spektrální rozlišení spektrometru (Δλ ≤ 1 pm) 152010prof. Otruba photos of the complete lamp typical profile of the discharge 2010prof. Otruba 16 2010prof. Otruba 17  AAS s plamenovou atomizací (F-AAS)  AAS s elektrotermickou atomizací (ETA-AAS)  AAS s generováním těkavých hydridů (HG-AAS)  AAS s generováním studených par (CV-AAS) 2010prof. Otruba 18 2010prof. Otruba 19 2010prof. Otruba 20 Schema zmlžovače Zmlžovač Perkin Elmer 2010prof. Otruba 21 Typický průtok vzorku 5 ml/min Typická účinnost zmlžování 5% Nastavení pozice vnitřní kapiláry 2010prof. Otruba 22 2010prof. Otruba 23 palivo oxidovadlo rychlost hoření (cm s-1) teplota (oC) rozsah (oC) stanovované prvky propan vzduch 80 1920 alkalické kovy, Pb, Cu, Ag, Au, Zn, Cd, Mn, Fe acetylen vzduch 160 2250 2125-2400  30 prvků acetylen oxid dusný 180 2700 2650-2800  35 prvků vodík oxid dusný 380 svítiplyn vzduch 55 1840 1700-1900 vodík vzduch 440 2045 2000-2050 vodík kyslík 3680 2660 2550-2700 acetylen kyslík 2480 3100 3060-3155 vodík vzduch-argon 400 350-1000 2010prof. Otruba 24 H He Li Be B C N O F Ne Na Mg Al Si P S Cl Ar K Ca Sc Ti V Cr Mn Fe Co Ni Cu Zn Ga Ge As Se Br Kr Rb Sr Y Zr Nb Mo Tc Ru Rh Pd Ag Cd In Sn Sb Te I Xe Cs Ba Hf Ta W Re Os Ir Pt Au Hg Tl Pb Bi Po At Rn Fr Ra La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu Ac Th Pa U Np Pu Am Cm Bk Cf Es Fm Md No Lr 2010prof. Otruba 25 Prvky stanovované v plameni acetylen - vzduch Prvky stanovované v plameni acetylen – oxid dusný 2010prof. Otruba 26  Ag (0,03), Al (0,4), As (0,6), Au (0,1), B (8), Ba (0,2), Be (0,02), Bi (0,2), Ca (0,01), Cd (0,005), Co (0,05), Cr (0,06), Cs (0,04), Cu (0,04), Fe (0,05), Ga (0,7), Ge (1,5), Hg (5), In (0,2), K (0,01), La (1), Li (0,02), Mg (0,003), Mn (0,02), Mo (0,3), Na (0,003), Ni(0,05), Pb (0,1), Pd (0,1), Pt (1,5), Rb (0,03), Rh (0,15), Sb (0,3), Se (0,5), Si (1,5), Sn (1), Sr (0,05), Ta (11), Ti (1,5), Tl (0,3), V (0,75), W (6), Zn (0,05)  Nedokonalá izolace měřené spektrální čáry ze spektra výbojky (plnící plyn, kontaminant, víceprvkové výbojky)  Přímý překryv dvou absorpčních čar (málo významné)  Eliminace vhodnou volbou spektrálních čar, nastavením monochromátoru a korekcí pozadí  Absorpce pozadí ◦ Strukturované pozadí ◦ Různá geometrie paprsku D2E a HCL 2010prof. Otruba 27  Nespektrální interference ◦ Rušivé vlivy při transportu (změna rychlosti sání, účinnosti zmlžování) ◦ Rušivé vlivy vypařování (různá těkavost analytu v různých matricích) ◦ Rušivé vlivy v plynné fázi (ionizační interference) 2010prof. Otruba 28  Plamen je realizován směsí paliva (acetylen, propan) a oxidovadla (vzduch, oxid dusný) ◦ Většinou se dnes používají laminární předmíchané plameny ◦ Difusní plameny se dnes používají spíše výjimečně (atomizace hydridů)  Zavádění vzorku se obvykle provádí pomocí pneumatických zmlžovačů ◦ Alternativou je využití vysokotlakých hydraulických zmlžovačů  Koncentrace volných atomů v různých zónách plamene udává plamenový profil  Přítomnost těžko disociujících sloučenin může mít za následek neúplnou atomizaci  Pro metodu plamenové atomizace je typické silné naředění analytu spalnými plyny  Metoda FAAS je výrazně méně citlivá ve srovnání s ET-AAS, HGAAS a ICP-MS  Vysoká rychlost analýzy a nižší vliv matrice ve srovnání s ET-AAS představují výhody metody plamenové atomizace v AAS 2010prof. Otruba 29 2010prof. Otruba 30 Podélně vyhřívaná trubice Příčně vyhřívaná trubice s platformou 2010prof. Otruba 31 Introduce sample (solid, liquid, gas, slurry) Pulse heat the ETV Temp Absorbance signal time 2010prof. Otruba 32 Time (s)… typical Temperature(CO) 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 Dry “Thermal pretreatment”, “ash” or “Char” Atomize 1,000-2000 K/s Desolvate Remove matrix or promote reactions in ETA Atomize analyte 2010prof. Otruba 33 2010prof. Otruba 34 Časový průběh absorbance a teploty v elektrotermickém atomizátoru. 1 - doba atomizace, 2 - střední doba setrvání atomů, Tap - teplota objevení signálu  termické parametry atomizátoru ◦ rychlost ohřevu trubice ◦ dosažená teplota grafitové nebo kovové trubice ◦ teplotní gradient trubice  chemické parametry atomizátoru ◦ typ grafitu nebo kovu ◦ struktura vnitřního povrchu grafitové nebo kovové trubice ◦ složení plynu  termické a chemické vlastnosti analytu a složek matrice ◦ teploty varu analytu a matrice ◦ termická stabilita a těkavost sloučenin analytu (s O, F, Cl, S aj.) ◦ termická stabilita matrice ◦ tendence analytu ke tvorbě karbidů, lamelárních a intermetalických sloučenin 2010prof. Otruba 35  Při ideální atomizaci se v okamžiku měření nachází v cestě paprsku všechny atomy analytu, ale žádná rušivá složka.  Možnosti přiblížit se k tomuto cíli leží ve vhodném ovlivnění parametrů a vlastností systému pomocí přídavků látek – tzv. modifikátorů matrice  Modifikace matrice může způsobit: ◦ pokles neselektivní absorpce v okamžiku atomizace ◦ zvýšení účinnosti atomizace 2010prof. Otruba 36  lehce těkavý analyt (LTA) - lehce těkavá matrice (LTM) ◦ Při modifikaci matrice se převádí LTA v těžce těkavý analyt (TTA) nebo LTM v těžko těkavou matrici (TTM). V prvním případě probíhá oddělení matrice od analytu ve fázi pyrolýzy, ve druhém ve fázi atomizace.  lehce těkavý analyt - těžce těkavá matrice ◦ V tomto případě se vyžaduje modifikace matrice, jen když analyt těžko disociuje. Pak se převádí LTA v TTA a paralelně TTM v LTM. Oddělení matrice a analytu probíhá ve fázi pyrolýzy.  těžce těkavý analyt - lehce těkavá matrice ◦ V tomto případě se modifikace nevyžaduje.  těžce těkavý analyt - těžce těkavá matrice ◦ Při modifikaci se převádí TTM v LTM. Ve zvláštních případech působí pozitivně také převedení TTA v LTA . Oddělení matrice od analytu probíhá v prvním případě ve fázi pyrolýzy, ve druhém v atomizační fázi. 2010prof. Otruba 37  Speciální odporově vyhřívané kyvety  Atomizátory bývají vyrobeny z grafitu, skelného uhlíku, W, Mo, Ta  Dávkuje se malé množství vzorku (10 – 50 µl)  Analyt se dávkuje na stěnu kyvety, na platformu nebo na sondu  Všechen dávkovaný analyt se podílí na absorpci záření  Ohřev kyvety probíhá v atmosféře argonu  Teplota kyvety je zvyšována podle zvoleného teplotního programu  Základními kroky teplotního programu jsou sušení, pyrolýza a atomizace vzorku  Za účelem stabilizace analytu ve fázi pyrolýzy matrice se používá modifikátor (Pd)  Po provedení měřícího cyklu je atomizátor vypálen a ochlazen  Pozorovaný signál má tvar píku (vyhodnocuje se výška nebo plocha)  Atomizace probíhá za izotermických podmínek, průtok argonu je zastaven  Detekční limit bývá až o 3 řády nižší ve srovnání s plamenovou atomizací  Nutností je zde kompenzace nespecifické absorpce pozadí 2010prof. Otruba 38  těkavé kovalentní hydridy (As, Sb, Bi, Se, Te, Sn, Ge, Pb, Tl)  těkavé karbonyly, alkyl-deriváty, fluoridy, cheláty  těkavé formy (hydridů) přechodných kovů (Cu, Zn, Ag)  studené páry rtuti a kadmia (není potřeba atomizátor, pouze absorpční cela) 2010prof. Otruba 39 2010prof. Otruba 40 schéma aparatury pro generování těkavých kovalentních hydridů v metodě AAS Hydridy se tvoří redukcí analytu tetrahydridoboritanem sodným (NaBH4) v kyselém prostředí s účinností téměř 100%. Generování hydridů lze využít u As, Bi, Ge, Pb, Sb, Se, Sn, Te, In a Tl. Reakce lze zjednodušeně popsat: BH4 - + 3 H2O + H+  H3BO3 + 4 H2 BH4 - + analyt + H+  hydrid (g) 2010prof. Otruba 41 2010prof. Otruba 42 Princip Experimentální uspořádání On-line prekoncentrace 2010prof. Otruba 43 Principem je termooxidační rozklad vzorku se zachycením rtuti v amalgamátoru. Na lodičku z Pt se dávkuje 250 mg vzorku. Spalování probíhá v kyslíku při 850-900oC ve spalovací peci, dokončení oxidace spalin a zachycení oxidů dusíku a síry na bazických složkách katalyzátoru v katalytické peci. Amalgamátorem je zlato na křemenném nosiči  Generace těkavých kovalentních hydridů (As, Sb, Bi, Se, Te, Sn, Ge, Pb, Tl)  Generace těkavých karbonylů, alkyl-derivátů, fluoridů, chelátů  Generace těkavých forem (hydridů) přechodných kovů (Cu, Zn, Ag)  Generace studených par rtuti a kadmia (není potřeba atomizátor, pouze absorpční cela)  Těkavé hydridy jsou generovány chemickou či elektrochemickou redukcí  Nejčastějším redukovadlem je NaBH4 v prostředí HCl  Plynný analyt je oddělen od kapalné fáze v separátoru fází  Atomizace hydridů probíhá radikálovým mechanismem  Uspořádání experimentu je dávkové, CFA nebo FIA  Generace hydridů bývá spojena s kolekcí analytu  Provádí se kolekce v absorpčním médiu, kolekce tlaková a kolekce vymrazováním  Perspektivním typem kolekce je in-situ akumulace v ETA  Měřitelná tenze par Hg umožňuje využití generace studených par (CV-AAS)  Akumulačním krokem může být zachycení par Hg na amalgamátoru (Au, Ag)  Při generování těkavých sloučenin je analyt oddělen od matrice vzorku 2008doc. Otruba 44  Spektrální interference ◦ Způsobené nedokonalou izolací měřené spektrální čáry ◦ Eliminace vhodnou volbou spektrálních čar a korekcí pozadí  Nespektrální interference v ET-AAS ◦ Interference ztrátami při teplotním programu ◦ Interference v plynné fázi (ionizace, kinetika procesu)  Nespektrální interference v HG-AAS ◦ Interference v kapalné fázi (oxidovadla, přechodné kovy) ◦ Transportní interference ◦ Atomizační interference (jiné hydridotvorné prvky, zánik H-radikálů) 2010prof. Otruba 45  Absorpce záření jinými složkami absorpčního prostředí než atomy analytu (neselektivní absorpce) je mnohdy řádově vyšší než absorpce analytu a je základním rušivým vlivem především u grafitové kyvety. Pro separaci analytického signálu od pozadí je možné použít dva základní principy:  Změření absorpčního spektra a ze spektra odečíst hodnotu absorpce analytu  Periodickou změnou optických vlastnosti měřícího záření nebo atomů analytu tak, aby se měnil definovaně poměr absorpce analytu k pozadí a ze získaného signálu vypočíst hodnotu absorpce analytu 46 Δλ≈1 – 5 pm Ix=Imax-(I1+I2)/2 2010prof. Otruba  Rozptyl světla na nevypařených pevných částečkách ◦ Plamenová atomizace – nedokonale vypařené částečky aerosolu ◦ Elektrotermická atomizace – částice vzniklé kondenzací vypařených látek v chladnějších částech atomizátoru  Molekulární absorpce - je nejčastější formou nespecifické absorpce a je způsobena přítomností nedisociovaných molekul (např. SO, PO, NO, CaO, NaCl). Má širokopásmový charakter a projevuje se v celé oblasti sledovaného spektra.  Absorpce pozadí způsobuje kladnou chybu! 2010prof. Otruba 47 2010prof. Otruba 48  Rozptyl záření na nevypařených částicích termicky stabilních látek ◦ Oxidy ◦ Karbidy ◦ Aluminosilikáty …….  Vzrůstá s klesající vlnovou délkou  Velmi významný zejména u ETA AAS, např.: ◦ Kouř při mineralizaci biologických vzorků ◦ Kondenzace par v chladnější části kyvety 2010prof. Otruba 49  Projevuje se relativně širokými molekulárními pásy (např. SO, PO, NO, CaO, NaCl)  V některých případech rotačně vibrační struktura – tzv. strukturované pozadí 2010prof. Otruba 50 2010prof. Otruba 51 2010prof. Otruba 52 Proměření absorpčního spektra Modulace atomových absorpčních koeficientů  Xe, D2 + FP, echelle  LED, laser + FP, echelle  Laditelný laser (+ násobič frekvence)  Laser + OPO  D2 korektor  Zeemanovská korekce  Systém Smith- Hieftje  Starkův jev  Dopplerův jev  Pikosekundový laser + FP 532010prof. Otruba 2010prof. Otruba 54 Paprsky čárového a kontinuálního zdroje záření se střídají v optické cestě spektrometru. To je zajištěno elektrickou modulací s posunem fází. Pomocí čárového zdroje záření se měří celková absorpce, pomocí kontinuálního zdroje absorpční pozadí ve sledovaném spektrálním intervalu. 2010prof. Otruba 55 Začátek měření IHCL = ID2 AHCL = AD2= 0 Specifická absorpce IHCL < ID2 Snížení ID2 zanedbatelné AHCL = AA; AD2 ≅ 0 Absorpce pozadí IHCL = ID2 Snížení I stejné AHCL = AD2= AP Specifická i nespecifická absorpce IHCL = celková abs, ID2 = abs pozadí AHCL = AA + AP Δλ = 0,003 nm Δλ = 0,2 nm Korigovaná specifická absorpce AA = AHCL – AP = AHCL – AD2 IIHCL