ESPECTROFOTOMETRÍA DE ABSORCIÓN ATÓMICA UNIVERSIDAD DEL AZUAY ESCUELA DE INGENIERIA EN ALIMENTOS DRA. DIANA CHALCO QUEZADA

GENERALIDADES La espectrofotometría de absorción atómica es una técnica para determinar la concentración de un elemento metálico determinado en una muestra. Puede utilizarse para analizar la concentración de más de 62 metales diferentes en una solución. La espectrofotometría de absorción atómica data del siglo XIX Forma moderna fue desarrollada en gran medida durante la década de los 50 por un equipo de químicos de Australia, dirigidos por Alan Walsh.

GENERALIDADES Desde hace muchos años se ha usado el color como ayuda para reconocer las sustancias químicas Reemplazando el ojo humano por otros detectores de radiación se puede estudiar la absorción de sustancias, no solamente en la zona del espectro visible, sino también en ultravioleta e infrarrojo. Se denomina espectrofotometría a la medición de la cantidad de energía radiante que absorbe un sistema químico en función de la longitud de onda de la radiación, y a las mediciones a una determinada longitud de onda.

GENERALIDADES La teoría ondulatoria de la luz propone la idea de que un haz de luz es un flujo de quantos de energía llamados fotones La luz de una cierta longitud de onda está asociada con los fotones, cada uno de los cuales posee una cantidad definida de energía.

PRINCIPIOS EN LOS QUE SE BASA La técnica hace uso de la espectrometría de absorción para evaluar la concentración de un analito en una muestra. Se basa en gran medida en la ley de Beer-Lambert. La Ley Lambert Beer es un medio matemático de expresar cómo la materia absorbe la luz. Esta ley afirma que la cantidad de luz que sale de una muestra es disminuida por tres fenómenos físicos: La cantidad de material de absorción en su trayectoria (concentración) La distancia que la luz debe atravesar a través de la muestra (distancia de la trayectoria óptica) La probabilidad de que el fotón de esa amplitud particular de onda sea absorbido por el material (absorbencia o coeficiente de extinción)

PRINCIPIOS EN LOS QUE SE BASA En resumen, los electrones de los átomos en el atomizador pueden ser promovidos a orbitales más altos por un instante mediante la absorción de una cantidad de energía Esta cantidad de energía (o longitud de onda) se refiere específicamente a una transición de electrones en un elemento particular, y en general, cada longitud de onda corresponde a un solo elemento.

PRINCIPIOS EN LOS QUE SE BASA

PRINCIPIOS EN LOS QUE SE BASA Como la cantidad de energía que se pone en la llama es conocida, y la cantidad restante en el otro lado (el detector) se puede medir Es posible, a partir de la ley de Beer-Lambert, calcular cuántas de estas transiciones tiene lugar, y así obtener una señal que es proporcional a la concentración del elemento que se mide.

INSTRUMENTACION

La figura muestra en forma esquemática los componentes básicos de un espectrofotómetro de absorción atómica. Podemos ver que constan de fuente, área para la muestra, detector, entre otros. INSTRUMENTACIÓN

FUENTE DE ENERGIA La fuente radiante más común para las mediciones de absorción atómica es la lámpara de cátodo hueco Esta consiste en un cilindro relleno con un gas inerte dentro del cual se encuentra un cátodo (construido del metal a analizar) y un ánodo. Al aplicar un cierto potencial a través de los electrodos esta fuente emite el espectro atómico del metal del cual está construido el cátodo.

ATOMIZADORES En la EAA se utilizan atomizadores con y sin llama para producir átomos libres del metal en el haz de la radiación. El atomizador con llama está compuesto de un nebulizador y un quemador. La solución de la muestra es convertida primero a un fino aerosol, y luego llevada a la llama que entrega la energía suficiente para evaporar el solvente y descomponer los compuestos químicos resultantes en átomos libres en su estado fundamental.

ATOMIZADORES Las mezclas de gases más usados para producir la llama adecuada son: aire/propano, aire/acetileno y óxido nitroso/acetileno. Generalmente, la elección dependerá de la temperatura requerida para la disociación de los compuestos y de las características químicas del elemento a determinar.

ATOMIZADORES En los atomizadores sin llama-atomización electrotérmica con horno de grafito, el vapor atómico se genera en un tubo de grafito calentado eléctricamente, en cuyo interior se ubica la muestra. Estos atomizadores presentan diversas ventajas, como una alta eficiencia en generar vapor atómico, permite el empleo de pequeños volúmenes de muestra y análisis directo de muestras sólidas.

ATOMIZADORES Los espectrofotómetros de absorción atómica poseen generalmente monocromadores de red con montaje de Littrow o de Czerny-Turner. Estos monocromadores permiten aislar una línea de resonancia del espectro emitido por la lámpara de cátodo hueco. Como detector, se emplea un fotomultiplicador que produce una corriente eléctrica, la cual es proporcional a la intensidad de la línea aislada por el monocromador. Un amplificador selectivo amplifica la señal pasando luego a un dispositivo de lectura que puede ser un voltímetro digital o un registrador u otros.

MONOCROMADOR Un sistema monocromador consiste básicamente de: Una rendija de entrada que proporciona una imagen óptica estrecha de la fuente de radiación. Un lente colimador que hace paralela la radiación procedente de la rendija de entrada. Una red de difracción o un prisma para dispersar la radiación incidente. Otro lente colimador para reformar las imágenes de la rendija de entrada sobre la rendija de salida. Una rendija de salida para aislar la banda espectral deseada, bloqueando toda la radiación dispersada excepto la del intervalo deseado.

MONOCROMADOR La función principal de un monocromador es la de proporcionar un haz de energía radiante con una longitud de onda nominal y una anchura de banda dada. La salida espectral de cualquier monocromador usado con una fuente de radiación continua, independientemente de su distancia focal y anchura de rendijas, consiste de una gama de longitudes de onda con un valor promedio de longitud que se presenta en el indicador del monocromador.

MONOCROMADOR La función secundaria de un monocromador consiste en el ajuste del rendimiento de energía. Este puede aumentarse, aumentando el ancho de la rendija de salida, a costa de una mayor anchura de banda espectral que puede introducir desviaciones a la ley de Beer, porque ésta exige radiación monocromática. Sin embargo, los anchos de rendijas excesivamente pequeños provocan rendimientos de baja energía en la señal del detector, afectando la sensibilidad analítica como resultado de la degradación de la relación señal- ruido.

DETECTOR El detector mide la intensidad de la luz y amplifica la señal. El detector es un fotomultiplicador que produce una corriente eléctrica dependiente de la intensidad de la luz incidente. La corriente eléctrica del fotomultiplicador es procesada por la electrónica del elemento; se produce una señal que es una medida de la atenuación de la luz en la celda de muestreo.

PANTALLA Muestra la lectura después de que han sido procesadas por el instrumento electrónico.

ATOMIZACION DE LA MUESTRA El proceso por el cual la muestra se convierte en un vapor atómico se denomina atomización. La precisión y exactitud de los métodos atómicos dependen en gran medida de la etapa de atomización.

ATOMIZACION DE LA MUESTRA En general los atomizadores son de dos tipos: Atomizadores continuos La muestra se introduce en el atomizador a una velocidad constante y la señal espectral es constante con el tiempo. Los procesos que se distinguen durante la atomización son los siguientes: Nebulización: la solución de la muestra se convierte en una niebla de pequeñas gotas finamente dividas mediante un chorro de gas comprimido. A continuación, el flujo de gas transporta la muestra a una región calentada donde tiene lugar la atomización.

ATOMIZACION DE LA MUESTRA Atomización. Se trata de un conjunto complejo de los siguientes procesos: La desolvatación, en la que el disolvente se evapora para producir un aerosol molecular sólido finamente dividido. La disociación de las moléculas conduce luego a la formación de un gas atómico. A su vez, los átomos pueden disociarse en iones y electrones. Moléculas, átomos e iones pueden excitarse en el medio calorífico, produciéndose así espectros de emisión moleculares y dos tipos de espectros de emisión atómicos.

ATOMIZACION DE LA MUESTRA Atomizadores discretos Una cantidad medida de la muestra se introduce como un bolo de líquido o de sólido. La señal espectral en este caso alcanza un valor máximo y luego disminuye a cero. La desolvatación se lleva a cabo al aumentar la temperatura hasta el valor en el que tiene lugar la evaporación rápida del disolvente. A continuación, la temperatura del aparato se aumenta drásticamente de tal forma que las otras etapas de la atomización se producen en un breve período de tiempo. En estas circunstancias la señal espectral adquiere la forma de un pico bien definido.

Espectrofotometría de absorción atómica Fenómenos que tienen lugar en la llama

Características de la llama Una llama es el resultado de una reacción exotérmica entre un gas combustible y un agente oxidante gaseoso. Se pueden distinguir tres partes: una zona interna, una región intermedia y un cono externo

Zona interna Combustión incompleta Color azul ------C2 Casi no se utiliza en trabajos analíticos

Zona intermedia Interconal Parte mas caliente de la llama Combustión completa Es la que mas se utiliza en EAA

Cono Externo Los productos parcialmente oxidados pueden completar su combustión. Se enfría por el aire circundante No se utiliza mucho

Parámetro que se usa para caracterizar una llama Es la temperatura de la región intermedia Depende de las velocidades relativas de combustible y oxidante

Llama aire – gas natural Fue la primera que se utilizó La temperatura es demasiado baja para originar la atomización de muchos elementos

Llama aire-acetileno Atomización efectiva de un grupo numeroso de elementos Es transparente Puede operar en condiciones débilmente oxidantes T no tan alta para disociar oxidos metálicos refractarios Utilizar llamas mas caloríficas(Oxigeno –acetileno) Proporciona 1000°C mas Combustión rápida

Llamas con óxido nitroso-acetileno Temperatura alta Atomización de muchos elementos incluyendo los que forman óxidos refractarios Velocidad de combustión baja Implosiones se minimiza

Llama aire – hidrogeno Análisis de metales alcalinos Problemas con la velocidad de combustión Mayor peligro de explosiones

cianógeno–oxígeno Se alcanza temperaturas muy elevadas Sensibilidad para la determinación de algunos elementos Uso no extendido por elevada toxicidad del cianógeno y el riesgo de explosiones

Una vez que la muestra llega a la llama tiene lugar los siguientes procesos Desolvatación Vaporización

Desolvatación Eliminación del agua y otros disolventes para formar pequeñas partículas de sal seca La velocidad de evaporación depende de la velocidad de transferencia de calor desde el ambiente de la llama hasta la gotita de aerosol

La velocidad de vaporización depende de: Tamaño de las gotitas Características de disolvente Temperatura de la llama De solvatación incompleta =por tamaño de gotas…… inconveniente

Disolventes orgánicos = velocidad de evaporación mas elevada debido al menor calor de vaporización y a la liberación del calor del disolvente Pequeña tensión superficial y viscosidad de CO aumenta la velocidad de flujo y favorece la nebulización e incrementación la concentración de átomos en la llama.

Vaporización Transformación de partículas de sal sólidas o fundidas en vapor Es una etapa bastante crítica en los métodos que utilizan llama y depende de la composición química del analito, del tamaño de las partículas y de la temperatura de la llama.

Sales con bajo punto de ebullición se vaporizan fácilmente Aquellas que se descomponen en la llama para dar óxidos estables , tales como magnesio, aluminio o calcio, no se vaporizan completamente a las temperaturas de las llamas ordinarias.

La velocidad del proceso de vaporización puede aumentarse por: Disminución de la concentración (del analito). Formación de derivados volátiles del analito. Formación de un aerosol constituido por partículas muy pequeñas. Empleo de llamas con altas temperaturas. Utilización de llamas reductoras.

Función de la llama Permite pasar la muestra a analizar del estado liquido a estado gaseoso descompone los compuestos moleculares del elemento de interés en átomos individuales o en moléculas sencillas excita estos átomos o moléculas.

Condiciones que debe cumplir Temperatura adecuada Que se forme un ambiente gaseoso que cumpla las funciones deseadas El ruido de fondo de la llama no debe interferir en las observaciones.

Fenómenos que tienen lugar en la llama 1-Se evapora el agua o los otros disolventes dejando como residuo diminutas partículas de sal seca. 2. - La sal seca se vaporiza, es decir, pasa al estado gaseoso.

3. - Las moléculas gaseosas, o una parte de ellas, se disocian progresivamente dando lugar a átomos neutros o radicales.

4. - Parte de los átomos neutros se excitan térmicamente o se ionizan 4. - Parte de los átomos neutros se excitan térmicamente o se ionizan. La fracción excitada térmicamente es importante en análisis por fotometría de llama ya que el retorno al estado fundamental de los electrones excitados es el responsable de la emisión de la luz que se mide.

5. - Parte de los átomos neutros o de los radicales que se encuentran en la llama pueden combinarse para formar nuevos compuestos gaseosos. La formación de estos compuestos reduce la población de los átomos neutros en las llamas y constituye las llamadas interferencias químicas.

Tipos y Fuentes de espectros atómicos

Cuando una muestra se atomiza, una importante fracción de los constituyentes metálicos se transforma en átomos gaseosos. Según la temperatura del atomizador, una cierta fracción de esos átomos se ioniza, originando así una mezcla gaseosa de átomos e iones elementales.

Los espectros atómicos nos dan información sobre los niveles de energía de los átomos, y han sido muy importantes para el desarrollo de los modelos teóricos (Bohr, Modelo Mecanocuántico) que nos permiten comprender como es el átomo en realidad. Los espectros atómicos son espectros discontinuos o de líneas.

Espectros discontinuos o de líneas: Consta de líneas o rayas emitidas a longitudes de onda específicas. Cada elemento posee un espectro característico que puede utilizarse para identificarlo. Por ejemplo, en el del sodio, hay dos líneas intensas en la región amarilla a 589 nm y 589,6 nm.

Tipos de espectros atómicos Espectros de emisión atómica A temperatura ambiente, todos los átomos de una muestra se encuentran en el estado fundamental. El espectro de emisión atómica de un elemento es un conjunto de frecuencias de las ondas electromagnéticas emitidas por átomos de ese elemento, en estado gaseoso, cuando se le comunica energía.

El espectro de emisión de cada elemento es único y puede ser usado para determinar si ese elemento es parte de un compuesto desconocido. El tiempo de vida de un átomo excitado es breve, y su vuelta al estado fundamental va acompañada de la emisión de un fotón de radiación. Las características del espectro de emisión de algunos elementos son claramente visibles a ojo descubierto cuando estos elementos son calentados.

Espectros de absorción atómica Es la representación gráfica de la absorbancia en función de la longitud de onda. El espectro de absorción es característico para cada elemento y consta predominantemente de línea de resonancia, que son el resultado de transiciones del estado fundamental a niveles superiores.

Muestra la fracción de la radiación electromagnética incidente que un material absorbe dentro de un rango de frecuencias. Es, el opuesto de un espectro de emisión. Cada elemento químico posee líneas de absorción en algunas longitudes de onda, hecho que está asociado a las diferencias de energía de sus distintos orbitales atómicos. De hecho, se emplea el espectro de absorción para identificar los elementos componentes de algunas muestras, como líquidos y gases así como la estructura de compuestos orgánicos.

Un ejemplo de las implicaciones de un espectro de absorción es que aquel objeto que lo haga con los colores azul, verde y amarillo aparecerá de color rojo cuando incida sobre él luz blanca. Cuando incide una luz a un metal al superar su energía umbral saca un electrón, si la energía es superior la energía que sobra se convierte en energía cinética.

Espectros de fluorescencia atómica En una llama, los átomos pueden presentar fluorescencia cuando se irradian con una fuente intensa que contiene las longitudes de onda que se absorben por el elemento. La radiación que se observa es, por lo general, el resultado de la fluorescencia de resonancia.

Ventajas y desventajas de Espectroscopia de emisión y absorción atómica

Ventajas Sus límites de detección son inferiores a la ppm. Tiene una precisión del orden del 1% del coeficiente de variación. La preparación de la muestra suele ser sencilla: solidos calcinación, disolución, medición. Líquidos : evaporación (agua), calcinación, disolución, medición Gases: se extrae el analito por burbujeo del gas en una solución y analizando entonces esa solución.

Tiene relativamente pocas interferencias fisicas. Su manejo es sencillo. El precio es razonable. Existe abundante bibliografía.

Desventajas Sólo pueden analizarse las muestras cuando están en disolución Interferencias espectrales de algunos metales.

elemento Color emitido Longitud de onda Sodio amarillo 580 nm Potasio Rojo/violeta 550 nm bario Verde amarillento 575 nm Calcio rojo 750 nm Cobre Verde/azul 510 nm Mercurio violeta 380 nm Hierro dorado Rubidio 650 nm cesio azul 450 nm

Solo pueden analizar elementos de uno en uno. No se pueden analizar todos los elementos del Sistema Periódico(no lámpara de catado hueco).

Aplicaciones AGRICULTURA Y ALIMENTOS: Análisis de suelos, fertilizantes, materias vegetales, Alimentos: cuantificar la concentración de metales presentes en los alimentos .

BIOLOGÍA Y CLÍNICA: El mayor problema de los ensayos de este campo, está en la contaminación de las muestras antes del análisis. Ejemplos de determinaciones: Cr, Ni y Cu en orina. Al en sangre. Cr en heces. Ni en leche materna. B, P y S en huesos.

MEDIO AMBIENTE Y AGUAS: Se requiere un tratamiento previo de la muestra con digestiones ácidas, microondas (mineralización). Además de varios tipos de aguas: aguas naturales, aguas residuales, aguas ultra puras( baja concentración necesitan un horno de grafito)