Spettrofotometria Ass. Atomico

SPETTROFOTOMETRIA DI ASSORBIMENTO ATOMICO
La spettrofotometria di assorbimento atomico (AA) è una delle tecniche più usate per l’analisi di
elementi in tracce (metalli soprattutto)) in diverse matrici. Questa tecnica viene utilizzata
esclusivamente per l’analisi quantitativa. In pratica l’elemento in esame viene bersagliato con
radiazioni di lunghezza d’onda opportuna dopo essere stato atomizzato per effetto
dell’assorbimento atomico; l’intensità del raggio diminuisce e l’attenuazione può essere correlata
alla concentrazione dell’elemento campione mediante una legge fondamentalmente analoga alla
legge di Beer.
Aspetti teorici
Quando un atomo viene investito da radiazioni di una ben precisa frequenza, può assorbire
energia e passare in uno stato eccitato: in pratica, uno degli elettroni esterni acquista energia e va
ad occupare un orbitale a maggiore energia. L’atomo eccitato, però, ha vita brevissima; quasi
immediatamente l’elettrone ritorna nell’orbitale di partenza e l’atomo cede l’energia assorbita
all’ambiente circostante. Ogni elemento ha un determinato numero di elettroni che lo caratterizza.
Poiché nello stato fondamentale gli elettroni occupano gli orbitali disponibili secondo una specifica
configurazione (quella di minime energia), l’insieme delle possibili transizioni elettroniche verso
orbitali più esterni è caratteristico di ciascun elemento.
Per determinare la quantità di un elemento, si atomizza il campione in cui è contenuto, eccitando i
suoi atomi con radiazioni di opportuna λ e si misura la radiazione assorbita. L’assorbimento che
dipende dal numero di atomi nello stato fondamentale è direttamente proporzionale all’intera
popolazione di atomi presenti sul cammino ottico della radiazione e quindi alla concentrazione
dell’elemento nel campione o alla quantità dell’elemento. In queste condizioni l’assorbimento
atomico, sia pure in un intervallo di linearità abbastanza ristretto, segue una legge analoga alla
legge di Beer, del tipo:
A = x*b*N
dove
 X = coefficiente spettrale di AA
 B = spessore dello strato assorbente
 N = numero totale di atomi liberi
Strumentazione
Lo strumento adoperato per sfruttare tale tecnica analitica è costituito da una sorgente che emette
un raggio di determinata lunghezza d’onda, il quale attraversa il sistema di atomizzazione (fiamma
o fornetto di grafite) che contiene il campione allo stato di gas atomico, e giunge al
monocromatore, che elimina le radiazioni che non interessano ai fini analitici; la radiazione
monocromatica passa poi al rivelatore (generalmente un tubo fotomoltiplicatore), che produce una
corrente proporzionale all’intensità del raggio. Il sistema di elaborazione dei segnali, infine, elabora
il segnale di interesse analitico, eliminando le interferenze.
Sorgenti
Tutte le sorgenti per AA si basano sul principio di eccitare gli atomi dell’elemento da analizzare in
modo che emettano radiazioni di caratteristiche lunghezze d’onda; queste vengono poi assorbite
dal campione allo stato di gas atomico. Le radiazioni della sorgente devono essere molto intense
per compensare le dispersioni di energia che si verificano nel sistema ottico. I tipi di sorgente più
usati sono:
 lampada a catodo cavo;
 lampada a scarica elettrodica di gas;
 lampada a scarica di radiofrequenza.
SISTEMI DI ATOMIZZAZIONE
Possono essere di due tipi.
1. Atomizzatore a fiamma
Sfrutta una fiamma alimentata a gas, in cui viene nebulizzata una soluzione del campione. Il
campione (in soluzione) viene aspirato nel nebulizzatore, trasformato in aerosol e immesso nella
camera di pre miscelazione dove si mescola con il gas combustibile e con il comburente. La
combustione e l’atomizzazione avvengono sulla testata del bruciatore
2. Atomizzatore a fornetto di grafite
È un sistema di atomizzazione senza fiamma. Si tratta di un sistema interamente automatizzato,
che consente di abbassare notevolmente (fino a 1000 volte) i limiti di rivelabilità rispetto alla
spettrometria di fiamma. Un piccolo volume di campione ( 10 – 20 µl) viene introdotto nel tubo di
grafite posto sul cammino ottico della radiazione emessa dalla sorgente. Nel tubo fluisce un gas
inerte, che espelle l’aria, eventualmente presente, e rende l’atmosfera non ossidante e quindi
adatta a mantenere gli atomi del campione nello stato elementare; dopo il caricamento il tubo
viene riscaldato elettricamente per garantire la combustione della eventuale componente organica
e, nello stadio di massima temperatura, l’efficiente atomizzazione del campione. In genere il
programma di riscaldamento prevede tre stadi successivi, di diversa durata, condotti a temperature
crescenti:
 rimozione del solvente o essiccamento del campione
 incenerimento (pirolisi) del campione)
 atomizzazione
I tempi di analisi sono dell’ordine dei 2 – 4 minuti e la misura di assorbimento dura pochi secondi.
Al termine della misura il tubo viene ripulito facendo fluire il gas inerte per il tempo sufficiente ad
allontanare gli eventuali gas residui. Il segnale che si ottiene è un picco la cui area (o altezza) è
direttamente proporzionale alla massa dell’analita presente allo stato atomico nel tubo di grafite.
Monocromatore
Il monocromatore è il fulcro del sistema ottico; esso infatti deve ripulire la radiazione policromatica
in uscita dalla fiamma da tutte le componenti spurie e dirigerla sul rivelatore. In genere si tratta di
un reticolo di dispersione con un alto potere dispersivo (0,1 nm/mm)
Rivelatori
I rivelatori sono generalmente tubi fotomoltiplicatori. Il segnale all’uscita da questi dispositivi è
direttamente proporzionale all’intesità della radiazione che lo produce, ma fortemente amplificato;
l’assorbimento atomico del campione attenua la riga analitica emessa dalla sorgente e quindi fa
diminuire, in proporzione, la corrente in uscita dal fotomoltiplicatore.
Sistema di lettura dei segnaliI
La corrente in uscita dal fotomoltiplicatore è costituita da tre diversi componenti:
1. la corrente residua del fotomoltiplicatore, cioè la corrente che fluisce nel rivelatore quando
non è irraggiato;
2. la corrente dovuta alla emissione del sistema di atomizzazione, che accompagna sempre la
riga analitica;
3. la corrente dovuta alla emissione della sorgente
Il segnale uscente dal fotomoltiplicatore è, per sua natura, fluttuante, e deve essere filtrato prima di
essere trasmesso al microprocessore; i filtri, in pratica, sono circuiti elettronici che compensano le
fluttuazioni di intensità. Il sistema più comune usa un timer con cui viene fissata la costante di
tempo (Δt), cioè l’intervallo durante il quale il microprocessore accumula il segnale, sommando
molti valori successivi.
Microprocessore
Il microprocessore è una parte fondamentale degli spettrofotometri di AA in quanto effettuano la
gestione dei dati analitici, ma anche e soprattutto quella dello strumento
Ottimizzazione dello strumento
Lo spettrofotometro per AA è costituito da parti mobili ed intercambiabili e, quindi, prima di
procedere nell’analisi tutte le componenti mobili devono essere perfettamente posizionate e le
prestazioni dello strumento accuratamente verificate:
 efficienza della lampada;
 sensibilità
 limite di rivelabilità.
Tutto vciò premesso, il processo di analisi può partire e svilupparsi attraverso le seguenti fasi:
1. M+ + ASoluzione
ΔE
Processo di nebulizzazione
2. M+ + AAerosol
ΔE
Desolvatazione
3. MA
Solido
ΔE
Distruzione matrice
4. MA
ΔE
Fusione
5. MA
Liquido
ΔE
Vaporizzazione
6. MA
Vapore
ΔE
Atomizzazione
7. M+ A+
Gas
ΔE
Eccitazione
8. M++
Gas
ΔE
Ionizzazione
9. M+ + eSi tratta, come si può vedere di un processo caratterizzato da diverse fasi e quindi interessato a
fenomeni di interferenza che possono essere sostanzialmente classificati in due categorie:
1. Interferenze non spettrali che incidono sulla formazione degli atomi dell’analita e che
comprendono:
 Interferenze fisiche che dipendono dalle caratteristiche fisiche (es. viscosità della matrice in
cui è disperso l’elemento da determinare;
 Interferenze chimiche che dipendono dalla presenza di specie chimiche, nella matrice e nel
sistema di atomizzazione che possono interagire con gli atomi dell’analita formando
composti che non danno assorbimento;
 Interferenze da ionizzazione dovute alla diversa resa di assorbimento degli ioni rispetto agli
atomi, che così possono interferire nelle analisi;
2. Interferenze spettrali, dovute all’assorbimento da parte di specie diverse dall’analita, che
provocano errori nelle misure di assorbanza e che comprendono:
 Interferenze da emissione dovute alla emissione di particelle che si trovano lungo il
cammino ottico. Questa interferenza può essere minimizzata adottando ottiche raffinate e
riducendo l’angolo di esposizione del fotomoltiplicatore e la fenditura di uscita del
monocromatore;
 Interferenze spettrali atomiche dovute alla presenza nella matrice di un elemento, diverso
dall’analita, che da una riga spettrale (anche secondaria) vicino alla riga analitica, che
provoca un aumento di assorbanza;
 Interferenze spettrali molecolari dovute alla presenza nella fiamma di specie molecolari O
radicali che) che danno assorbimento, generando notevoli errori nell’analisi;
 Interferenze di scattering. Nella fiamma o nel fornetto di grafite possono esservi particelle
solide o, nel caso della fiamma, gocce di soluzione non perfettamente vaporizzate che
provocano fenomeni di diffusione (scattering) aumentando l’assorbimento e, quindi, i valori
di assorbanza.
L’insieme delle interferenze spettrali dovute all’assorbimento molecolare della matrice e allo
scattering è detto assorbimento di fondo. Per eliminarlo si deve ricorrere a specifici sistemi di
correzione. Di questi i più significativi sono:
 Metodo delle linee, valido solo per spettrofotometri a fiamma;
 Sistema a sorgente continua che richiede l’uso di una lampada a deuterio in aggiunta alla
sorgente di righe;
 Sistema Zeeman applicato nelle anbalisi con fornetto di grafite;
 Sistema Smith - Hieftje
Metodi di analisi
Le tecniche di analisi in AA sono di tipo quantitativo e per ogni strumento valgono delle procedure
operative che sono funzione della complessità dell’apparecchio e dei dispositivi disponibili. In ogni
caso il metodo di analisi, quasi esclusivamente utilizzato è il metodo della retta di taratura, che
consiste appunto, nel costruire una retta di taratura preparando suluzioni standard e misurandone
l’assorbanza; dalla retta, in base ai valori di assorbanza, si può risalire alla concentrazione
dell’analita in campioni incogniti.
In molti casi si può individuare più di un tratto rettilineo; poiché ogni elemento ha un campo di
concentrazione ottimale in cui l’errore relativo è minimo, per analisi di precisione è consigliabile
regolare la concentrazione in questo intervallo, senza uscire dall’intervallo di linearità, per la
precisione, è consigliabile un intervallo di assorbanza compreso tra 0,2 e 0,5 e comunque l’errore
fotometrico è minimo per un valore di assorbanza pari a 0,4343.