SPETTROSCOPIA ATOMICA

SPETTROSCOPIA ATOMICA
(estratto dal file ipertestuale distribuito a lezione)
La spettroscopia atomica comprende un insieme di tecniche analitiche basate sull'assorbimento,
l'emissione o la fluorescenza da parte di atomi o ioni elementari.
Esse prevedono due stadi fondamentali:

il campione viene portato allo stato gassoso ed i suoi componenti sono atomizzati;

dall'interazione tra le particelle atomiche (atomi o ioni elementari) e la radiazione
elettromagnetica si ottengono informazioni quantitative e qualitative sulla composizione del
campione.
In particolare:
- la lunghezza d'onda delle radiazioni emesse o assorbite sono indicative della natura chimica degli
analiti;
- l'entità dell'assorbimento, emissione o fluorescenza è proporzionale alla concentrazione degli
analiti stessi.
Nelle tecniche prese in considerazione in questo corso, le radiazioni elettromagnetiche emesse o
assorbite appartengono alla zona del visibile e dell'ultravioletto.
I metodi di spettroscopia atomica sono applicabili alla determinazione di metalli e di alcuni
semimetalli e forniscono un'analisi elementare, cioè indicano la concentrazione totale di un
elemento ma non danno informazioni sulla forma chimica (stato di ossidazione, complessazione...)
in cui è presente nel campione.
Le tecniche trattate in questo corso sono quelle più comunemente utilizzate nelle analisi chimiche, e
comprendono:

spettroscopia di assorbimento con atomizzazione a fiamma

spettroscopia di assorbimento con atomizzazione elettrotermica (a fornetto)

spettroscopia di assorbimento con generazione di idruri

spettroscopia di assorbimento a vapori freddi

spettroscopia di emissione atomica a plasma ad accoppiamento induttivo.
SPETTROSCOPIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO
Principio

Il campione viene riscaldato, vaporizzato e atomizzato.

Una radiazione di lunghezza d’onda caratteristica per ogni analita attraversa il vapore
atomico.

Una parte della radiazione è assorbita dagli atomi dell’analita.

La frazione assorbita è proporzionale alla sua concentrazione.
Componenti dello strumento
Sorgente
Emette una radiazione monocromatica
Atomizzatore
Può essere a fiamma o fornetto
Atomizzatore a fiamma
Solitamente ottenuta con aria e acetilene (2100 - 2400 °C)
Atomizzatore a fornetto
Si utilizza fornetto di grafite riscaldato mediante il passaggio di una corrente elettrica.
Il volume depositato nel fornetto (di solito mediante un autocampionatore) è usualmente di 10 – 50
µl.
La temperatura del fornetto viene incrementata in stadi successivi, nei quali hanno luogo i seguenti
fenomeni:

evaporazione del solvente (tipicamente 90-120 °C)

decomposizione e volatilizzazione della maggior parte della matrice ( arrostimento)
(tipicamente 1000-1500 °C )

atomizzazione dell’analita (tipicamente 2000- 2500 °C)

pulizia finale del fornetto ( tipicamente 2700 °C)
Esempi di temperatura di arrostimento e atomizzazione per vari elementi
Elemento
Temperatura di
arrostimento (char), °C
Temperatura di
atomizzazione, °C
Ag
500
1300
Al
1300
2600
Cd
250
800
Cu
900
2250
Fe
1200
2500
Ni
1200
2700
Se
200
2000
Zn
400
1000
All'interno del fornetto si può inserire una piattaforma (v. nota), per aumentare la sensibilità di
misura e ridurre le interferenze.
Principale vantaggio del fornetto rispetto alla fiamma: l’assorbanza si misura solo nello stadio di
atomizzazione, quindi si riduce l’interferenza degli altri componenti della matrice (già rimossi).
Inoltre si lavora in un ambiente inerte (flusso di Argon), mentre nella fiamma si ha un ambiente
molto reattivo (presenza di ossigeno).
Monocromatore
E' un dispositivo per isolare la radiazione di interesse. Negli spettrometri di assorbimento atomico è
spesso a reticolo.
Rivelatore
E' un dispositivo che converte l’intensità della radiazione trasmessa (cioè la frazione non assorbita
dall’analita) in un segnale elettrico ad essa proporzionale.
Comunemente si utilizza un fotomoltiplicatore.Gli strumenti moderni possono essere dotati di
rivelatore allo stato solido.
Dispositivo per la correzione del fondo
Permette di sottrarre il segnale di fondo (v. più avanti “interferenze”) e di ottenere il segnale netto
dell'analita.
Sistema di registrazione del segnale
Negli attuali strumenti il segnale viene trasmesso ad un personal computer che ne permette la
visualizzazione e elaborazione.
Esempio di segnale
Informazioni analitiche
L'area e l'altezza del picco sono proporzionali alla concentrazione di analita (analisi qualitativa).
La lunghezza d'onda di assorbimento è caratteristica dell' elemento (analisi qualitativa).
Schema a blocchi di un’apparecchiatura per spettrometria di assorbimento atomico a fiamma.
Campione
Nebulizzatore
Sorgente
lampada
HCL o EDL
Atomizzazione
a fiamma
Controllo
interferenze
Rivelazione
Visualizz.
Elaboraz.
Stampa dati
Schema a blocchi di un’apparecchiatura per spettrometria di assorbimento atomico a fornetto di
grafite.
Campione
Sorgente
lampada
Atomizzazione
con fornetto
di grafite
Controllo
interferenze
Rivelazione
Visualizz.
Elaboraz.
Stampa dati
Nota: la piattaforma
Svantaggio nell'atomizzazione da fornetto: condizioni non isoterme (ambiente del fornetto più freddo delle pareti 
pericolo di condensazione o ricombinazione delle specie volatilizzate).
Soluzione: introdurre nel fornetto una piattaforma in grafite (piattaforma di L'vov).
La piattaforma è riscaldata per irraggiamento dalle pareti  riscaldamento più lento rispetto all'ambiente del fornetto 
si raggiunge la temperatura di atomizzazione più tardi (pochi secondi)  l' atomizzazione avviene in condizioni di
equilibrio termico. Si ottiene una maggiore sensibilità e una riduzione degli effetti matrice.
CARATTERISTICHE DELLA TECNICA
Interferenze con atomizzatore a fiamma
Interferenze spettrali
Altri componenti del campione assorbono alla stessa lunghezza d’onda dell’analita. In particolare
l’assorbimento da parte di specie presenti nella fiamma (ossidi, radicali OH, frammenti di molecole
di solvente…) e la luce diffusa possono generare un segnale di fondo (che si può correggere)
Interferenze chimiche
Si verificano quando la temperatura della fiamma non è sufficiente a dissociare composti molecolari
dell’analita che possono essersi formati nella fiamma stessa (ad esempio gli ioni fosfato
interferiscono nella determinazione del calcio)
Interferenze di ionizzazione
Se la fiamma è troppo calda l’analita può essere ionizzato in misura significativa e la
concentrazione di atomi liberi (responsabili dell’assorbimento della radiazione) diminuisce
Interferenze di trasporto
La velocità di aspirazione e di nebulizzazione sono influenzate dalla viscosità, densità e tensione
superficiale della soluzione in esame. Quando campioni e standard differiscono per qualcuno di
questi parametri, ad esempio in presenza di un componente organico nel campione, si ha una
diversa resa di nebulizzazione tra campioni e standard, ed una conseguente variazione nella
porzione di analita che raggiunge la fiamma.
Si ovvia a questo inconveniente preparando gli standard in una matrice il più vicino possibile a
quella dei campioni o utilizzando il metodo delle aggiunte standard.
Interferenze con atomizzatore a fornetto
Interferenze spettrali
Le bande di assorbimento dei componenti della matrice (non completamente volatilizzati prima
dell’atomizzazione dell’analita, o ricondensati sulle pareti del fornetto) e la diffusione della luce
generano un segnale di fondo. Per ovviare a questo problema si deve effettuare una correzione del
segnale di fondo. Il segnale di fondo con la tecnica a fornetto di grafite è molto più basso di quello
esistente nel caso di atomizzazione a fiamma.
Interferenze chimiche
Si verificano quando altri componenti della matrice inibiscono la formazione di atomi liberi
dell’analita. Si possono formare composti volatili dell’analita che vengono vaporizzati prima dello
stadio di atomizzazione: ad esempio il piombo in presenza di cloruri viene parzialmente perso per
volatilizzazione come (in assenza di modificatore di matrice). Alcuni elementi invece (es. Zr, o W)
tendono a formare carburi non volatili con la grafite del fornetto. La tendenza è ridotta se si
utilizzano fornetti in grafite pirolitica.
Si ovvia a queste interferenze, in alcuni casi, con l’aggiunta di un modificatore di matrice oppure
con il metodo delle aggiunte standard. I modificatori di matrice hanno la funzione di permettere una
migliore separazione tra gli stadi di rimozione della matrice e di atomizzazione, rendendo più
volatile la prima oppure diminuendo la volatilità dell’analita.
Esempio: determinazione di metalli in una matrice ad elevato contenuto di NaCl. NaCl provoca
interferenza (elevato segnale di fondo) Modificatore: NH4NO3
Si formano NaNO3 e NH4Cl che sono rimossi più facilmente di NaCl:
NH4NO3
+
NaCl →
si decompone
m.p. 1079 K
a 483 K
b.p. 1691 K
NaNO3
si decompone
a 653 K
+
NH4Cl
subl. 618 K
b.p. 798 K
m.p. = punto di fusione (melting point)
b.p. = punto di ebollizione (boiling point)
subl = sublima
Limiti di rivelabilità
I limiti di rivelabilità con l’atomizzazione a fornetto sono più bassi di quelli con l’atomizzazione a
fiamma (v. tabella sul file).
ASSORBIMENTO ATOMICO CON GENERAZIONE DI IDRURI
Per la determinazione di vari elementi mediante assorbimento atomico è stato sviluppato un metodo
alternativo all' uso della fiamma e del fornetto. Il procedimento, utilizzabile per la determinazione
di As, Bi, Ge, Sb, Se, Sn, Te, consiste nel trasformare i suddetti analiti nei loro idruri volatili. Gli
idruri volatili vengono immessi in una cella di quarzo riscaldata con una fiamma o con un mantello
riscaldante. Siccome gli idruri degli elementi elencati sopra sono termicamente instabili, essi si
decompongono liberando idrogeno ed il vapore atomico dell' analita, la cui concentrazione può
quindi essere determinata. Per la generazione degli idruri si impiega un apposito apparecchio in cui
l' analita è fatto reagire con boroidruro di sodio e acido cloridrico. I valori molto bassi delle quantità
minime rivlabili sono una conseguenza dell' alta efficienza nel produrre una nuvola di atomi liberi a
partire da un volume di soluzione assai maggiore di quello che si introduce nel fornetto di grafite.
ASSORBIMENTO ATOMICO CON VAPORI FREDDI
Per i composti del mercurio è stata sviluppata una tecnica particolare che permette di effettuare
determinazioni con sensibilità molto elevata . La tecnica, CV ASS, è basata sulla formazione di
mercurio metallico a temperatura ambiente mediante riduzione chimica con cloruro di stagno(II) o
con boroidruro di sodio. Il mercurio atomico in traccia che si genera viene volatilizzato da una
corrente di argo che si fa gorgogliare nel reattore e trasportato in una cella ottica per la misura dell'
assorbanza. La lampada è un semplice bulbo a scarica di mercurio di cui viene isolata la riga a 254
nm. Con questo semplice dispositivo i limiti di determinazione del mercurio sono molto più bassi
che con le procedure convenzionali.
SPETTROSCOPIA DI EMISSIONE ATOMICA
A PLASMA AD ACCOPPIAMENTO INDUTTIVO (ICP-AES)
Principio

Il campione è atomizzato mediante riscaldamento in un plasma (di solito da argon ad alta
temperatura, 8000-9000 K, parzialmente ionizzato).
Nella maggior parte degli strumenti si fa uso di plasma ad accoppiamento induttivo (ICP,
Inductively Coupled Plasma).

Il plasma fornisce anche l’energia per portare gli atomi dallo stato elementare a stati eccitati.

Gli atomi eccitati tendono a tornare a stati con energia inferiore con concomitante emissione di
energia radiante.

L’intensità della radiazione emessa ad un’opportuna lunghezza d’onda è proporzionale alla
concentrazione dell’analita.
Componenti dello strumento
Introduzione del campione
In genere il campione viene aspirato da una pompa peristaltica e introdotto nella torcia per azione di
un nebulizzatore.
I nebulizzatori più comuni sono quelli pneumatici, nei quali il campione incontra un flusso di argon
che dà luogo alla formazione di un aerosol.
L’aerosol entra in una camera di nebulizzazione, nella quale vengono rimosse le gocce più grandi,
in modo che alla torcia arrivino solo le gocce più piccole; contemporaneamente si smorzano gli
impulsi che si generano durante la nebulizzazione, dovuti all’azione della pompa
Torcia
La torcia e’ un insieme di tre tubi concentrici, normalmente di quarzo. Nella torcia un flusso di
argon viene portato in forma di plasma che raggiunge temperature di 8000 – 9000 K.
L’argon fluisce nei tre tubi concentrici con funzioni diverse: nella parte più esterna si ha un’elevata
velocità di flusso per raffreddare la parte esterna del plasma ed evitare la fusione del quarzo; la
corrente intermedia alimenta il plasma; nel tubo più interno viene trasportato il campione
nebulizzato.
Monocromatore
E' un dispositivo utilizzato per isolare la radiazione di interesse, emessa dall'analita all' interno del
plasma. Negli spettrometri di emissione è solitamente a reticolo.
Rivelatore
E' un dispositivo che converte l’intensità della radiazione trasmessa in un segnale elettrico ad essa
proporzionale. Comunemente è un fotomoltiplicatore.
Registratore del segnale
Negli attuali strumenti il segnale viene trasmesso ad un Personal Computer che ne permette la
visualizzazione e l'elaborazione.
La correzione del segnale di fondo viene eseguita misurando l’intensità di emissione ai lati della
riga di emissione dell’analita e sottraendola dal segnale di quest’ultimo.
Esempio di segnale:
Informazioni analitiche
L'altezza del picco è proporzionale alla concentrazione di analita (analisi quantitativa).
La lunghezza d'onda di emissione è caratteristica dell' elemento (analisi qualitativa)
Schema a blocchi di un’apparecchiatura per spettrometria di emissione atomica ICP.
Campione
Nebulizzatore
Argon,
Induzione
Plasma ICP
Monocromatore
Rivelazione
Visualizz.
Elaboraz.
Stampa dati
CARATTERISTICHE DELLA TECNICA
Interferenze
Interferenze spettrali
Si possono avere sovrapposizioni (totali o parziali) delle linee di emissione dell’analita con quelle di
altre specie presenti nel campione; esiste inoltre un segnale di fondo continuo.
Si ovvia alla sovrapposizione di linee di emissione cambiando la lunghezza d’onda di misura
oppure con correzioni matematiche. Il segnale di fondo invece viene corretto misurando l’intensità
di emissione ai lati del picco dell’analita e sottraendola dal segnale di quest’ultimo
Interferenze di trasporto
Differenze nella viscosità o tensione superficiale tra campioni e standard portano a cambiamenti
nelle velocità di aspirazione e nebulizzazione. Si ovvia a questo inconveniente preparando gli
standard in una matrice il più vicino possibile a quella dei campioni o utilizzando il metodo delle
aggiunte standard
Limiti di rivelabilità
I limiti di rivelabilità della tecnica ICP-AES sono più alti di quelli della spettroscopia di
assorbimento atomico con atomizzazione a fornetto ma spesso sono più bassi di quelli con
l’atomizzazione a fiamma (v. tabella sul file).
APPLICAZIONI DI INTERESSE DELLA SPETTROSCOPIA ATOMICA DI
ASSORBIMENTO E DI EMISSIONE
Applicazioni in ambito erboristico

Determinazione della maggior parte dei metalli, delle terre rare e di alcuni metalloidi in piante
officinali ( ci sono limiti di legge per alcuni metalli).

Obiettivi più frequenti: verificare un’eventuale contaminazione o il contenuto di macro- e
micro-nutrienti.

Esempi dalla letteratura. Determinazione di:
-
Cd, Pb, Ni nel ginseng
-
Ge nel ginseng
-
Cu, Cr, Co, Cd, Pb, Zn, Ni, Fe, Hg in piante officinali per medicina ayurvedica - As
nell’aglio (studio dell’accumulo dal suolo)
-
Fe, Ni, As, Hg nell’aglio
-
Cd, Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Zn nell’ortica
-
Mn, Fe, Zn, Cu, Ni, Co nell’Aloe
-
Fe nell’artemisia
-
Na, K, Mg, Ca in capsule dietetiche contenenti propolis
-
Ag, As, Be, Bi, Cd, Hg, Ni, Pb, Sb, Tl, Li, V, Hf, W, Ta e terre rare nel mirtillo (studio
dell’effetto della zona di origine e dell’effetto del lavaggio della pianta)
-
Al, Cr, Cu, Fe, K, Mg, Ni, Mn, Na in oli essenziali di menta, camomilla, salvia (studio
del passaggio di metalli dagli oli ai tessuti)
-
Co, Cr, Cu, Mn, Ni, Rb, Sr, Zn in prodotti contenenti liquirizia
-
B, Mn, Fe, Mg, Mo, Cu and Zn in piante officinali per medicina cinese .
Applicazioni generali
Determinazione della maggior parte dei metalli, delle terre rare e di alcuni metalloidi in:

alimenti

farmaci e composti di interesse clinico

acque, suolo, particolato atmosferico, vegetali

materiali e prodotti industriali (acciai, oli, polimeri...)