ESPECTROSCOPIA DE ABSORCION Y EMISION ATOMICA
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PARTE 1.- FUNDAMENTACION TEORICA
ABSORCION Y EMISION DE RADIACION ELECTROMAGNETICA
1.1. - La Radiación Electromagnética
La radiación electromagnética (REM) es una forma de energía de la cual conocemos
varias manifestaciones. La luz es el tipo mas conocido de R.E.M., la radiación ultravioleta,
la radiación infra-roja, los rayos X, las micro-ondas, las ondas de radio también son tipos
de R.E.M.
¿En que se parecen y en que se diferencian los distintos tipos de R.E.M.?
Se parecen en que todos se transmiten en forma de ondas y se diferencian en que
las ondas tienen distinta longitud. Por ejemplo las ondas de la radiación ultra-violeta son
mas cortas que las ondas de la luz, y estas a su vez son mas cortas que las ondas de la
radiación infra-roja.
Las ondas de la luz también son de distinto tipo dependiendo de la longitud de la
onda. Por ejemplo la luz roja tiene ondas más largas que la luz amarilla y esta a su vez
tiene ondas mas largas que la luz azul.
La longitud de las ondas de la luz es muy pequeña y por lo tanto debe medirse en
manómetros (nm) que corresponde a una milmillonésima de un metro.
La luz roja está formada por ondas que miden entre unos 650 nm y uno 760 nm. La
luz azul tiene ondas que miden entre 450 y 500 nm y así cada color de luz corresponde a
radiaciones dentro de un rango dado de longitudes de onda. La longitud de onda se
designa por la letra lamba( ).
La longitud de onda de una REM esta asociada a una energía especifica por la
siguiente expresión:
E = hc/
Donde h es una constante, c es la velocidad de la luz, también constante y es la
longitud de onda. Esta expresión nos dice que la energía de una radiación es inversamente
proporcional a su longitud de onda. Por los ejemplos vistos más arriba la luz azul tiene más
energía que la roja, por ejemplo.
1.2.- Interacción Radiación-materia
Los átomos que forman la materia pueden encontrarse en dos formas principales:
Unidos a otro átomo formando una molécula o solos formando lo que se llama vapor
atómico. Por ejemplo el óxido de hierro está formado por átomos de hierro unidos a átomos
de oxígeno, a esta unión de átomos se puede llamar molécula. Por otra parte las
luminarias que alumbran nuestras calles de color amarillo contienen en su interior átomos
de sodio en estado de vapor que están totalmente solos, es decir, no están unidos a otros
átomos.
Los átomos pueden absorber Radiación Electromagnética. Cuando están formando
moléculas absorben radiación dentro de un rango amplio de longitudes de onda, por
ejemplo entre 400 y 550 nm. Sin embargo cuando los átomos están solos absorben
radiación de una longitud de onda específica. Por ejemplo los átomos de sodio absorben
radiación de 589 nm. Los átomos de cobre absorben radiación de 324,8 nm, de 327,4 nm y
de otras longitudes de onda. Cada tipo de átomo absorbe radiaciones de algunas
longitudes de onda específicas. A estas longitudes de onda se les denomina líneas de
absorción. Las principales líneas de absorción del hierro son 248,3 nm, 372,0 nm ,386,0
nm y 392,0 nm.
Esto significa que el hierro solo absorbe radiaciones de estas longitudes de onda. La
línea de 248,3 nm de hierro se dice que es la línea principal porque hay “preferencia” por
absorber esta radiación por parte de los átomos de hierro. Las otras líneas son menos
“preferidas“ en el mismo orden en que aparecen. La razón de esta diferente absorción por
un mismo tipo de átomos está en la cantidad de átomos que prefieren una línea
determinada. Por ejemplo si hacemos pasar radiación de 248,3 nm a través de unos mil
átomos de hierro, unos ochocientos átomos pueden absorber esta radiación, sin embargo
si hacemos pasar radiación de 372,0 nm solo unos cien átomos absorben esta radiación.
¿Por qué los átomos absorben y emiten energía?
Los átomos absorben radiación electromagnética porque sus electrones toman esta
energía para “saltar” a niveles más externos (mayor energía). Cuando un átomo tiene sus
electrones en los niveles de menor energía se dice que está en estado fundamental.
Cuando tiene un electrón en un nivel superior se dice que está excitado. El estado
excitado tiene una duración pequeñísima, por lo cual el electrón vuelve rápidamente a
niveles inferiores. La energía absorbida es devuelta en forma de radiación por lo tanto
observamos una emisión de energía. Cuando hacemos llegar átomos de sodio a una
llama estos absorben energía y se excitan. Al desexcitarse emiten radiación. El color
amarillo de la llama corresponde a esta emisión.
¿Porqué los átomos absorben radiaciones con una longitud de onda específica?
Cada átomo tiene una estructura propia y sus niveles de energía son fijos. Por esto si
un electrón cambia de nivel necesita una energía específica es decir radiación de una
longitud de onda fija. Por ejemplo si un electrón de un átomo de sodio “salta” desde el nivel
3s al 3d absorbe radiación de 589 nm y no otra. Al devolverse emite esa misma radiación
(luz amarilla)
¿Por qué cada tipo de átomo absorbe varias longitudes de onda?
Los niveles atómicos son múltiples por lo tanto las transiciones permitidas también lo
son.
¿Porqué los átomos de un elemento dado absorben mas de algunas longitudes que
de otras?
La mayor parte de los átomos tienen sus electrones en el nivel mas bajo de energía,
por lo tanto las transiciones más probables de ocurrir son aquellas transiciones entre este
nivel y los inmediatamente superiores.
¿Porqué los átomos que están formando moléculas no absorben una sola longitud
de onda?
En la molécula los niveles energéticos del átomo no son fijos, en consecuencia la
energía absorbida también es variable. Si hacemos pasar por un grupo de moléculas una
radiación específica solo algunas absorberán dicha energía.
PARTE 2.- EL ESPECTROFOTÓMETRO Y SUS COMPONENTES
El principio de la técnica de absorción atómica es el siguiente:
Si hacemos pasar un haz de radiación a través de una muestra en estado de
átomos libres, estos absorben parte de la radiación. La cantidad de radiación
absorbida está relacionada con la cantidad de átomos presentes en la muestra. Esto
permite medir dicha cantidad al medir la disminución de la intensidad de la
radiación.
La técnica de emisión atómica esta basada en la medición de la radiación emitida por
los átomos al ser excitados, por lo general mediante calor.
En consecuencia un instrumento consta de los siguientes componentes.
2.1.- Fuente de radiación
La radiación que pasa a través de los átomos debe ser de la longitud de onda
apropiada para que estos la absorban. Una forma de obtener dicha radiación es excitando
átomos del mismo tipo. Este es el fundamento de la Lámpara de cátodo hueco. Esta
fuente de radiación es un tubo lleno con gas inerte a baja presión con un filamento que
hace de ánodo y un cilindro hueco cuyo interior está recubierto por el elemento que se va a
analizar. Al aplicar una diferencia de potencial los átomos del cátodo se excitan y emiten
una radiación de alta intensidad. Los fabricantes de instrumentos han modificado este
diseño obteniendo lámparas con una mayor intensidad (GBC Súper lámpara, Varian UtrAA,
etc.) Estas lámparas modificadas son especialmente útiles para algunos elementos con
problemas de excitación o estabilidad.
Lámpara de deuterio. Es una fuente de radiación adicional que se usa para medir la
absorción de radiación por elementos que acompañan a los átomos (background) con el
objeto de rectificar esta distorsión. Esta lámpara no produce líneas como las de cátodo
hueco sino bandas (multitud de líneas dentro de un rango de longitud de onda).
2.2.- Sistema de Atomización
Para que los átomos absorban la radiación proveniente de la celda deben
encontrarse como átomos libres (vapor atómico). Existen diversos sistemas para llevar los
átomos a este estado. El sistema más empleado es una llama hasta la cual se hace llegar
la muestra en forma de aerosol. El quemador que sustenta la llama está antecedido por
una cámara en la cual se mezclan los gases (combustible y oxidante) con el aerosol. La
muestra es aspirada por un capilar y pasa por un mecanismo tipo ventury que la lanza al
interior de la cámara en forma de pequeñas gotas que se mezclan con los gases de
combustión. En el interior de la cámara hay mecanismos para que las gotas sean más
pequeñas y uniformes. Uno de estos mecanismos es la bola de impacto (impact bead)
sobre la cual incide el chorro saliente del ventury. El otro mecanismo es el flow-spoiler, una
especie de hélice por la cual pasan las gotas, quedando las más grandes condensadas en
la superficie. La cantidad de muestra que llega hasta la llama es muy pequeña. El resto de
la muestra es eliminado a través de un drenaje por la parte inferior de la cámara. Este
drenaje a su vez esta conectado a un sistema de seguridad que impide la comunicación de
la cámara con el colector de residuos.
Otros sistemas de atomización: Además de la llama se puede atomizar la muestra en
un Horno de Grafito, que es un pequeño cilindro en el cual se pone una gota de muestra
que es calentada por inducción. Este sistema permite detectar cantidades mucho menores
del elemento analizado.
También se puede atomizar la muestra transformándola en un gas en un reactor
desde el cual se lleva hasta el paso de radiación. El reactor puede producir un hidruro del
elemento (As y otros) o bien puede producir vapor frío (Hg).
2.3.- El Monocromador
La situación de trabajo ideal en absorción atómica sería hacer pasar un haz de luz de
una longitud de onda muy específica a través de la muestra, y que esta a su vez sólo
absorbiera dicha radiación. Sin embargo en la situación real tanto en la fuente como en la
llama hay radiaciones de distintos tipos.
El monocromador es un dispositivo que selecciona un rango muy pequeño de
longitudes de onda y solo permite el paso de las estas. Este dispositivo se ubica después
del sistema atomizador.
Básicamente el monocromador está formado por una ranura (slit) de entrada, un
elemento dispersante y una ranura de salida. Por el primer slit entra una mezcla de
radiaciones de distintas longitudes de onda. Al pasar a través del elemento o sistema
dispersante las radiaciones salen en direcciones distintas de acuerdo a su longitud de
onda. El slit de salida permite el paso de un rango muy pequeño de radiaciones con
longitudes de onda muy parecidas.
Al girar el elemento dispersante podemos hacer salir las ondas que queramos.
El ancho del slit puede ser regulado. Esto permite regular también la cantidad de
radiación que deja pasar el monocromador, pero al abrir el slit este deja pasar una mayor
variedad de radiaciones es decir una radiación menos pura.
¿Por qué es conveniente abrir el slit?
Porque esto permite que pase una mayor cantidad de energía lo cual facilita la
medición posterior de esta.
¿Por qué no es conveniente abrir el slit?
Porque existe la posibilidad de que pasen radiaciones ajenas a las que queremos
medir.
La apertura del slit está predeterminada, pero puede ser modificada de acuerdo al
tipo de análisis a efectuar. Esta apertura está indicada en nm (manómetros). Un slit de 0,5
manómetros no indica la medida de la ranura sino la diferencia de longitudes de onda que
pasan a través de ella.
2.4.- El detector de radiación
Básicamente es un sistema que transforma la energía radiante en energía eléctrica lo cual
permite a su vez procesar dichos valores transformándolos en resultados. El sistema esta
basado en el efecto fotoeléctrico es decir la emisión de electrones por una superficie
metálica al incidir sobre ella radiación electromagnética. Los dispositivos modernos
permiten amplificar el efecto mencionado permitiendo mayor precisión en el trabajo.
En términos prácticos lo más importante en la técnica es obtener una relación
señal/ruido lo mas alta posible. Esto se logra haciendo llegar mas radiación al detector
(centrando bien la lámpara, abriendo el slit). El indicador EHT (voltaje de amplificación)
debe ser lo más bajo posible.
2.5.- El procesador
El procesador, a partir de las señales eléctricas del detector puede calcular
concentración del analito. Además controla el funcionamiento del instrumento y permite
mantener el orden de los resultados analíticos.
PARTE 3.- LA LLAMA
3.1.- Tipos de Mezcla combustible-oxidante
Los tipos de llama comúnmente empleados en esta técnica son:
a.- Mezcla Acetileno- aire
b.- Mezcla Acetileno -Oxido Nitroso
La primera da una temperatura cerca de los 1000 ºC y se emplea para los elementos
que se atomizan fácilmente.
La segunda da una temperatura cercana al doble de la anterior y se emplea para
elementos que forman óxidos refractarios y por tanto es más difícil llevarlos al estado de
átomos libres. Esta llama necesita de un quemador especial (Titanio) resistente a la
temperatura de trabajo. Usualmente la ranura de salida de los gases es más corta (5 cm
v/s 10 cm). También presenta un riesgo adicional por el hecho de tener propagación más
rápida. Al disminuir el flujo de los gases la llama puede devolverse al interior de la cámara
provocando una explosión. Por esta razón esta llama no se enciende ni se apaga
directamente sino que se cambia a partir de la llama acetileno-aire, es decir se enciende
acetileno-aire, se cambia a acetileno-nitroso, se trabaja y se vuelve a acetileno-aire. Los
equipos traen además sistemas para minimizar los efectos de la explosión en caso de
producirse.
3.2.- Estructura y propiedades de la llama
Existen tratados completos sobre la estructura de la llama en los cuales se describe
las distintas zonas, su composición, temperaturas, etc.
Afortunadamente lo que necesitamos saber para la técnica de AA se limita a dos
propiedades fundamentales: temperatura y poder oxidante.
La temperatura depende del tipo de mezcla, según lo vimos anteriormente, y además
de la relación de flujos de combustible y oxidante y de la altura de dicha llama desde el
quemador.
El poder oxidante depende de los mismos parámetros.
¿Cómo encontramos la llama mas adecuada para trabajar?
El punto de partida son las recomendaciones del fabricante. A partir de estas
condiciones encendemos el equipo, aspiramos una solución con el analito y modificamos
los parámetros indicados hasta obtener la mejor relación señal/ruido posible. Esto significa
que en las condiciones encontradas la formación de átomos libres es la máxima, lo cual
nos permite una mejor medición de la cantidad total de átomos.
3.3.- El fenómeno de la atomización
Según hemos visto solo los átomos libres (no las moléculas ni los iones) absorben la
radiación adecuada para su medición. Por lo tanto el objetivo del sistema es la producción
de átomos libres.
¿Qué le sucede a una gotita de solución de NaCl que entra a la llama?
1.-Se evapora el solvente (agua generalmente) y quedan cristales de NaCl.
2.-Se funden los cristales y queda NaCl líquido.
3.-Hierve el líquido y se separan átomos de Na y Cl. Estos son átomos neutros.
4.-Los átomos de Sodio se excitan ya sea por absorber energía de la fuente de
radiación (mayoría) o energía calórica de la llama (una parte muy pequeña según el tipo de
átomos).
5.-Los átomos excitados vuelven al estado fundamental emitiendo radiación pero en
direcciones distintas.
6.-Algunos átomos de sodio pierden definitivamente un electrón transformándose en
iones que no absorben la radiación adecuada.
La separación mencionada en el punto 3 es difícil para algunos elementos que
tienden a formar óxidos muy estables (Si, Ca, Al, etc. ). Esto requiere el uso de llama de
mayor temperatura o condiciones reductoras de la llama.
PARTE 4.- INTERFERENCIAS
4.1.- Interferencias de radiación
Se puede describir como cualquier radiación que llegue al detector distinta a la línea
proveniente de la fuente, o absorción de radiación por otros elementos distintos de los
átomos del analito.
En el primer caso está la emisión de la llama. Esta interferencia es eliminada por el
instrumento modulando la señal proveniente de la fuente y descartando la señal continua.
La radiación absorbida por líneas de otros átomos cercanas a la línea de trabajo,
esto se puede eliminar trabajando con un slit más pequeño. Estas recomendaciones están
en el manual del instrumento.
La radiación absorbida por otros elementos de la llama (cristales, gases, etc.) la
elimina el instrumento mediante la lámpara de Deuterio. Esta lámpara emite una banda
que es absorbida por todos los elementos extraños de la llama. La absorción medida es
descontada a la absorción total quedando solo la absorción de los átomos del analito que
es la que necesitamos medir.
La absorción mencionada (background) es muy importante cuando se trabaja a
longitudes de onda bajo 300 nm y es obligatorio en este caso utilizar el corrector de
background. En otros casos una forma fácil de decidir es medir con y sin corrector. Si hay
diferencia apreciable en los resultados debe usarse corrector.
4.2.- Moléculas térmicamente estables e ionización
Existen elementos que forman óxidos u otros compuestos estables en la llama (Ca,
Mg, Si, Al, etc.). En el proceso descrito anteriormente llegan al estado de molécula y la
atomización es muy pobre. Esto conduce a una señal muy baja y a un error relativo muy
alto.
Los elementos fácilmente excitables por otra parte pueden perder definitivamente su
electrón y transformarse en iones, estos iones absorben radiación de otra longitud de onda,
por lo tanto constituyen una interferencia llamada interferencia de ionizacion. Esta
interferencia es particularmente importante en los elementos alcalinos y al emplear la llama
de oxido nitroso-acetileno. Para disminuir esta interferencia se adiciona a la solución de la
muestra un elemento que se ionice fácilmente lo cual aumenta la cantidad de electrones
libres impidiendo la ionizacion del analito.
4.3.- Interferencia de Matriz
Los iones, ácidos y moléculas que acompañan al analito en la muestra determinan
propiedades de la solución que a su vez influyen en el proceso de atomización. La
densidad, viscosidad y tensión superficial de la solución influyen sobre el proceso de
formación de las gotas produciendo gotas de distinto tamaño que a su vez cambian la
eficiencia de atomización.
Esta situación es particularmente grave cuando la muestra tiene una composición
muy distinta de los patrones puesto que esto distorsiona los resultados. Debemos recordar
que el equipo determina concentraciones mediante una comparación entre la muestra y un
patrón.
Cuando la matriz es conocida puede agregarse al patrón las mismas sustancias para
imitarla. Cuando la matriz es muy compleja debe emplearse el método de adición de
patrón. Este consiste en agregar a la muestra cantidades conocidas del analito y medir la
diferencia de señal producida, calibrando con el analito agregado y el aumento de
Absorbancia.
PARTE 5.- CURVAS DE CALIBRACIÓN
Fundamento : El instrumento mide la intensidad de la radiación que pasa por la llama
sola, I0 y la intensidad de la radiación que pasa a través de la llama con la muestra, I.
Luego calcula -Log I/ I0. Este parámetro se llama Absorbancia (A).
La relación entre A y concentración se conoce como ley de Beer y dice que
A= kC
Es decir que la concentración es proporcional a la Absorbancia. Esta ley sólo se
cumple para un rango pequeño de concentraciones que se conoce como rango lineal. El
rango lineal es distinto para cada elemento. En general la ley de Beer se cumple hasta
absorbancias del orden de 0,250 , pero debe ser determinado en forma práctica puesto
que es muy importante para calibrar el instrumento.
Calibración del instrumento: El instrumento se calibra introduciendo al software el o
los valores de concentración de los patrones a emplear y enseguida aspirando con el
capilar el o los patrones.
Calibración con 1 patrón: Al calibrar con un patrón el instrumento aplica la ecuación
de la ley de Beer, por lo cual solo se puede emplear esta calibración con un patrón que
esté dentro del rango lineal. Por otra parte debe emplearse un patrón de alta concentración
para que el error relativo sea mínimo en consecuencia se recomienda que este patrón esté
en el extremo del rango lineal.
Calibración con 2 o 3 patrones: Al calibrar con dos o tres patrones el instrumento
emplea ecuaciones correspondientes a curvas. Es necesario que los patrones tengan entre
sí una relación adecuada a las ecuaciones usadas. En el software del instrumento existe
una forma de revisar esta situación. Una vez hecha la calibración se puede revisar
aplicando las distintas ecuaciones y observando los resultados.
Sensibilidad: La sensibilidad es la relación entre la Absorbancia que tiene una
solución y la concentración de analito de ella. Matemáticamente corresponde a la
constante de la ecuación de la ley de Beer. Existen distintas formas de expresión de la
sensibilidad. Oficialmente corresponde a la concentración de una solución que tiene una
Absorbancia de 0,0044.
La sensibilidad determina los niveles detectables de cada elemento.
Ruido instrumental: Las mediciones de la radiación se efectúan durante un tiempo
que varía entre unos dos y cinco segundos usualmente. Durante este tiempo el
instrumento entrega varios valores de absorbancia (o concentración), los cuales difieren
levemente entre si. Esta variación de la señal es lo que se conoce como ruido instrumental.
El ruido instrumental debe ser lo mas pequeño posible para que la lectura sea confiable. El
instrumento entrega un valor promedio de las lecturas hechas y además entrega el valor de
la desviación estándar relativa ( % RSD por las siglas en ingles). Este valor corresponde a
la desviación estándar dividida por el promedio y multiplicada por cien. En la medida que la
señal (absorbancia) sea mas baja la RSD es más alta.
Limite de detección: El límite de detección es la concentración mínima que se
puede determinar con un error aceptable. Existen distintos criterios para el límite de
detección. Un criterio es el siguiente: limite de detección es la concentración que
produce una señal (A) que es el doble del ruido instrumental. Ruido instrumental es
la variación que presenta la señal del instrumento al leer una misma muestra. Se
puede asociar a la desviación estándar de la lectura.
Análisis de muestras con concentraciones altas de analito: Cuando la
concentración del analito es muy alta y se sale de la escala de calibración existen
dos alternativas principales para trabajar. Una de ellas es trabajar con el quemador
puesto en forma oblicua o perpendicular al haz de radiación. Esto permite que el haz
tenga un recorrido (camino óptico) mas corto a través de la muestra y por tanto la
señal de absorción sea menor. La otra alternativa es usar la radiación de una línea
secundaria de la lámpara. Como vimos al principio hay un menor número de átomos
que absorben de las líneas secundarias y por esta razón la señal de absorción es mas
baja.
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