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University of Messina, Italy Chimica Analitica SPETTROSCOPIA ATOMICA 28
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Chimica Analitica
SPETTROSCOPIA ATOMICA 28
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Chimica Analitica
Spettroscopia atomica
La spettroscopia atomica viene applicata per la
determinazione qualitativa e quantitativa di circa
70 elementi.
La sensibilità dei metodi atomici va da parti per
milione a parti per miliardo.
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Chimica Analitica
✔ velocità ✔ convenienza ✔ elevata selettività ✔ costi moderati della strumentazione
Caratteristiche della spettroscopia atomica
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Chimica Analitica
Il primo stadio in tutti i processi di spettroscopia
atomica è l’atomizzazione; processo mediante il quale
il composto viene volatilizzato e decomposto per dare
un gas atomico.
Spettroscopia atomica
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Chimica Analitica
L’efficienza e la riproducibilità dello stadio di
atomizzazione determina in larga misura sensibilità,
precisione ed accuratezza del metodo.
L’atomizzazione è quindi di gran lunga lo stadio più
critico della spettroscopia atomica.
Spettroscopia atomica
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Chimica Analitica
Esistono diversi metodi di atomizzazione dei campioni: ➲ atomizzazione con fiamma ➲ atomizzazione elettrotermica ➲ atomizzazione a plasma ad accoppiamento induttivo ➲ atomizzazione a plasma a corrente continua
Spettroscopia atomica
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Chimica Analitica
Spettroscopia atomica
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Chimica Analitica
Spettroscopia atomica
E’ importante sottolineare che i campioni che subiscono
atomizzazione di fiamma originano spettri di assorbimento
atomico, di emissione e di fluorescenza che sono molto più
semplici dei corrispondenti spettri molecolari per la mancanza
degli stati di vibrazione e rotazione. Ciò significa che si hanno
solo transizioni elettroniche.
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Chimica Analitica
L’energia viene di solito fornita mediante
un plasma, una fiamma, una scarica a
bassa pressione o un laser ad elevata
potenz. Qui a fianco viene riportato un
diagramma parziale dei livelli di energia
per il Na atomico nel quale vengono
evidenziate tre delle sue più importanti
linee di emissione.
Queste linee vengono generate dal
riscaldamento in fiamma del Na allo
stato gassoso a temperature di 2000°C e
3000°C.
Spettri di emissione
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Chimica Analitica
Spettri di assorbimento
In basso vengono riportati rispettivamente lo spettro parziale di
assorbimento del Na allo stato vapore e le transizioni elettroniche
responsabili delle stesse linee di assorbimento.
Gli spettri di assorbimento ed emissione del Na sono
relativamente semplici (presentano circa 40
picchi). Per elementi che
p o s s e g g o n o d i v e r s i elettroni esterni eccitabili,
g l i s p e t t r i p o s s o n o risultare molto complessi.
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Chimica Analitica
Litio
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Chimica Analitica
L’ampiezza naturale delle linee di assorbimento o
emissione atomica è dell’ordine di 10-5 nm.
Esistono due effetti che tendono ad allargare le righe di
un fattore 100 o anche più:
◆ l’allargamento Doppler
◆ l’allargamento di pressione
Larghezza delle linee spettrali
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Chimica Analitica
Allargamento Doppler
L’allargamento Doppler è dovuto al movimento rapido degli
atomi che emettono radiazioni.
La lunghezza d’onda della radiazione ricevuta dal rivelatore è
leggermente più piccola quando l’emettitore si muove verso il
rivelatore e leggermente più grande quando invece si allontana
dal rivelatore.
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Chimica Analitica
Allargamento Doppler
Figura (a): l’atomo si muove verso il r ivelatore di fotoni ed emette
radiazioni.
Il rivelatore vede con maggiore
frequenza le creste d’onda e rivela
radiazioni a più alta frequenza.
Figura (b): l’atomo si allontana dal
r ivelatore di fotoni ed emette
radiazioni.
I l r ivelatore vede con minore
frequenza le creste d’onda e quindi
r ive la radiazioni a p iù bassa frequenza.
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Chimica Analitica
L’allargamento di pressione è dovuto alle collisioni tra atomi che
comportano una leggera variazione nelle energie dello stato
fondamentale e quindi determinano piccole differenze energetiche
tra gli stati fondamentali e quelli eccitati.
Sia l’allargamento Doppler che l’allargamento di pressione
aumentano all’aumentare della temperatura.
Allargamento di pressione
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Chimica Analitica
Nella spettrometria di Massa Atomica è desiderabile che il campione venga convertito in ioni in fase gassosa. Con le sorgenti di atomizzazione energetiche come i plasmi, una frazione sostanziale degli atomi prodotti viene ionizzata, di solito come ioni positivi con una sola carica. GLI IONI CON MASSE ATOMICHE DIFFERENTI VENGONO QUINDI SEPARATI IN UNO STRUMENTO CHIAMATO ANALIZZATORE DI MASSA per produrre lo spettro di massa. La separazione avviene sulla base del rapporto massa/carica.
Spettri di Massa
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Chimica Analitica
In tutte le tecniche spettroscopiche atomiche, è necessario
atomizzare il campione in atomi e ioni in fase gassosa.
ATOMIZZATORI CONTINUI (plasmi e fiamme)
ATOMIZZATORI DISCRETI (elettrotermico)
Produzione di atomi e ioni
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Chimica Analitica
Il nebulizzatore introduce in maniera continua il campione
sottoforma di spray di piccole goccioline chiamato aerosol.
Con l’introduzione continua del campione in una fiamma o in un
plasma si ha una popolazione costante di atomi, di molecole e di
ioni.
Campioni di soluzione discreti vengono introdotti trasferendo un’aliquota di campione all’atomizzatore.
I campioni solidi possono essere introdotti nei plasmi
vaporizzandoli con una scintilla elettrica o con un raggio laser
(ablazione laser) con Nd:YAG (granato di neodimio ittrio alluminio
a 1064 nm)
Nebulizzazione
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Chimica Analitica
Metodi di emissione atomica basati su sorgenti a plasma
L’atomizzazione in plasma è impiegata sia per la spettroscopia
di emissione termica sia per la spettroscopia di fluorescenza.
Esistono due tipi di sorgeni a plasma:
� sorgente a plasma ad accoppiamento induttivo
� sorgente a plasma ad argon a corrente continua
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Chimica Analitica
Sorgenti a plasma
Per definizione un plasma è una miscela gassosa conduttrice,
contenente una notevole concentrazione di cationi ed elettroni.
Nel plasma ad argon gli ioni argon e gli elettroni sono le principali specie conduttrici.
Gli ioni argon, una volta formati nel plasma, sono capaci di
assorbire da una sorgente esterna energia sufficiente per
mantenere la temperatura ad un livello al quale un’ulteriore
ionizzazione sostenga il plasma indefinitivamente (10000 K).
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Chimica Analitica
Sorgente a plasma ad accoppiamento induttivo (ICP)
E’ formata da tre tubi concentrici di quarzo attraverso I quali fluisce argon ad un avelocità compresa tra gli 11 e i 17 L/min. Intorno all’estremità di questo tubo c’é un filamento ad induzione raffreddato ad acqua ed alimentato da un generatore di radiofrequenze in grado di produrre 2 kW di energia a 27 MHz e a 40 MHz. La ionizzazione dell’argon che fluisce ha inizio da una scintilla proveniente da un filamento Tesla. Gli ioni e gli elettroni così generati interagiscono con il campo magnetico fluttuante e il riscaldamento ohmico e la conseguenza della loro resistenza a questo movimento
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Chimica Analitica
Sorgente a plasma ad accoppiamento induttivo
La temperatura del plasma è sufficientemente alta da richiedere l’isolamento termico dal cilindro di quarzo. L’isolamento si effettua facendo fluire l’argon tangenzialmente alle pareti del tubo . Tale flusso raffredda le pareti interne del tubo centrale e serve a centrare rapidamente il plasma.
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Chimica Analitica
Caratteristiche degli spettri
L’osservazione dello spettro viene effettuata generalmente da 15 a 20
mm sopra la bobina di induzione poiché così facendo la radiazione del
fondo è completamente libera dalle righe dell’argon ed è molto
conveniente per l’analisi degli spettri.
Le linee più sensibili sono quelle relative agli ioni del calcio, cadmio,
cromo e manganese.
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Chimica Analitica
Atomizzazione e ionizzazione dell’analita
Il tempo di residenza nel plasma e le temperature operative sono
da due a tre volte più grandi di quelli ottenibili con le fiamme più
calde.
Ne consegue un’atomizzazione più completa e minori interferenze
chimiche.
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Chimica Analitica
Atomizzazione e ionizzazione dell’analita
Le interferenze dovute alla ionizzazione sono molto piccole o
addirittura inesistenti forse a causa della grande concentrazione di
elettroni provenienti dalla ionizzazione dell’argon che permette di
mantenere una concentrazione di elettroni nel plasma più o meno
costante.
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Chimica Analitica
Un esempio di nebulizzatore a tubi concentrici è quello riportato in
basso.
La soluzione viene risucchiata nel capillare da una corrente di gas ad
alta pressione che fluisce intorno alla punta del capillare (effetto
Bernoulli).
Nebulizzatore per ICP
Il processo di trasporto del liquido è detto aspirazione.
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Chimica Analitica
Sorgente a plasma ad argon a corrente continua
Solo recentemente è stata progettata una sorgente di questo tipo in grado di produrre una riproducibilità tale da competere con sorgenti a fiamma e sorgenti al plasma ad accoppiamento induttivo. E’ formata da tre elettrodi disposti a Y invertita. In ciascun braccio della Y è situato un anodo di grafite, ed un catodo di tungsteno è invece situato sulla base invertita. L’argon fluisce dagli anodi. Il plasma si forma quando il catodo viene portato a contatto per un istante con gli anodi.
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Chimica Analitica
Sorgente a plasma ad argon a corrente continua
Gli spettri prodotti dal plasma a getto di corrente continuo tendono
ad avere meno linee di quelle prodotte dal plasma ad accoppiamento
induttivo.
Le linee che si formano sono generalmente quelle degli atomi
piuttosto che quelle degli ioni.
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Chimica Analitica
Sorgente a plasma ad argon a corrente continua
Le sensibilità che si raggiungono con il plasma a getto di corrente continuo sono di circa un ordine di grandezza più basse se non uguali a quelle ottenibili con il plasma ad accoppiamento induttivo. La riproducibilità dei due sistemi è simile.
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Chimica Analitica
Applicazioni quantitative delle sorgenti a plasma
Sia quelle ad accoppiamento induttivo sia quelle a corrente continua
offrono risultati analitici quantitativi significativamente migliori
rispetto alle altre sorgenti di emissione.
Gli ottimi risultati derivano da: alta stabilità, basso rumore, bassa
emissione di fondo e mancanza di interferenze.
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Chimica Analitica
Applicazioni quantitative delle sorgenti a plasma
In termini di limiti di rilevabilità le prestazioni delle sorgenti a
plasma ad accoppiamento induttivo sono migliori rispetto a quelle
delle sorgenti a plasma a corrente continua.
Le sorgenti a plasma del tipo a corrente continua sono tuttavia meno
costose sia in termini di acquisto che di operatività.
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Nell’atomizzazione con fiamma la soluzione dell’analita
(generalmente acquosa) viene dispersa o nebulizzata in piccole
gocce che vengono trascinate nella fiamma dal flusso di un
ossidante gassoso o combustibile.
Gli spettri sono generati in questo mezzo gassoso ad alta
temperatura.
Spettroscopia atomica basata sull’atomizzazione con fiamma
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Chimica Analitica
Spettroscopia atomica basata sull’atomizzazione con fiamma
Sono tre i tipi di spettroscopia atomica basati sull’atomizzazione
con fiamma:
� spettroscopia di assorbimento atomico (AAS)
� spettroscopia di emissione atomica (AES)
� spettroscopia di fluorescenza atomica (AFS)
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L’atomizzatore a fiamma è composto da un nebulizzatore pneumatico che converte la soluzione del campione in una sostanza nebulizzata, o aerosol, che poi viene convogliata nel bruciatore.
Atomizzatori a fiamma
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Chimica Analitica
Un esempio di nebulizzatore a tubi concentrici è quello riportato in basso.
La soluzione viene risucchiata nel capillare da una corrente di gas ad alta
pressione che fluisce intorno alla punta del capillare (effetto Bernoulli).
Atomizzatori a fiamma
Il processo di trasporto del liquido è detto aspirazione.
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Chimica Analitica
Qui viene raffigurato un tipico bruciatore commerciale a flusso laminare
che utilizza un nebulizzatore a tubi concentrici.
L’aerosol è miscelato con il combustibile (H2, acetilene) e fluisce (2-5
mL/min) attraverso una serie di deflettori che rimuovono tutte le
goccioline eccetto le più piccole.
Atomizzatori a fiamma
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Chimica Analitica
A causa della presenza dei deflettori la maggior parte del campione si
accumula sul fondo della camera di miscelazione da dove viene drenato
in un contenitore di scarico.
Quindi l’aerosol, il combustibile ed il comburente vengono bruciati in
un bruciatore a fessura che genera una fiamma della lunghezza di 5-10
cm.
Atomizzatori a fiamma
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Proprietà della fiamma
N e l l a z o n a p r i m a r i a d i
combustione si ha l’evaporazione
del solvente.
Nella regione interzonale si
formano gli atomi gassosi e gli
ioni elementari (atomizzazione).
In questa zona si verifica anche
l’eccitazione degli spettri di
emissione atomica.
N e l l a z o n a s e c o n d a r i a d i
combustione prima che i prodotti
dell’atomizzazione si disperdano
nell’atmosfera avviene la loro
ossidazione.
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Chimica Analitica
Tipi di fiamma utilizzati nella spettroscopia atomica
Le temperature variano da 1700°C a 2400°C con fiamme alimentate
da miscele diverse aventi come comburente l’aria (solo specie
facilmente eccitabili, come Na, K, Ca, ecc.).
Le temperature variano dai 2500°C a 3100°C con fiamme alimentate
da miscele diverse aventi come comburente l’ossigeno o l’ossido
nitroso (per metalli pesanti).
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Effetti legati alla temperatura della fiamma
Le alte temperature influenzano in maniera marcata gli spettri di
assorbimento e quelli di emissione poiché incrementano il numero
totale di atomi nella fiamma e quindi la sensibilità.
La temperatura della fiamma determina anche il numero relativo di
atomi eccitati e non in una fiamma: in una fiamma alimentata ad aria/
acetilene il rapporto tra gli atomi di Mg eccitati e non eccitati è
uguale a circa 10-8, mentre in una fiamma alimentata ad O2/acetilene,
che è più calda di 700 °C, questo rapporto è di circa 10-6.
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Effetti legati alla temperatura della fiamma
Con una fiamma alla temperatura di 2500 °C un aumento della
temperatura di 10 °C aumenta di circa il 3% il numero di atomi di
Na allo stato eccitato 3p.
Alle stesse condizioni diminuisce di circa lo 0.002% il numero di
atomi di Na che ritorna allo stato fondamentale.
Si evince che i metodi di emissione richiedono un controllo della temperatura della fiamma molto accurato.
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Chimica Analitica
L e e m i s s i o n i a t o m i c h e s o n o
rappresentate da picchi stretti (Na a
330 nm, K a 404 nm, Ca a 423 nm).
Gli spettri atomici sono chiamati
spettri a righe. Sono anche evidenti
b a n d e d i e m i s s i o n e d o v u t e
all’eccitazione di alcune specie
molecolari (MgOH, MgO, CaOH,
OH). Transizioni vibrazionali si
s o v r a p p o n g o n o a t r a n s i z i o n i
elettroniche formando spettri a bande.
Spettri di emissione in fiamma
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Ionizzazione nella fiamma
Tutti gli elementi nella fiamma sono sottoposti ad un processo di
ionizzazione che determina la presenza di atomi, ioni ed elettroni nel
mezzo ad alta temperatura.
Ad esempio nell’atomizzazione di un campione contenente Ba nella
regione interzonale della fiamma si stabilisce un equilibrio del
genere:
Ba Ba+ + e-
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A temperature di fiamma molto elevate (>3000 °K) quasi la metà del
Ba risulta in forma ionica.
Gli spettri di emissione ed assorbimento del Ba e Ba+ sono
completamente diversi l’uno dall’altro.
Con fiamme ad alte temperature si riscontrano quindi due spettri per il
bario, uno per l’atomo e l’altro per il suo ione.
Ionizzazione nella fiamma
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Chimica Analitica
Spettroscopia atomica con atomizzatori elettrotermici
Gli atomizzatori elettrotermici, apparsi in commercio negli anni ‘70,
offrono maggiore sensibilità poiché l’intero campione viene
atomizzato in un tempo brevissimo e in media il tempo di
permanenza degli atomi nel cammino ottico è di circa un secondo.
Vengono utilizzati per le misure di assorbimento atomico, ma non
hanno trovato in genere applicazione nei lavori di emissione.
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Spettroscopia atomica con atomizzatori elettrotermici
Negli atomizzatori elettrotermici pochi microlitri del campione
vengono prima evaporati a bassa temperatura per poi essere
inceneriti ad una temperatura più alta in un tubo o vaschetta di
grafite riscaldata elettricamente.
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Spettroscopia atomica con atomizzatori elettrotermici
Dopo l’incenerimento la corrente viene rapidamante aumentata di
molte centinaia di ampère, producendo un aumento di temperatura sino
a 2000 °C - 3000 °C; l’atomizzazione avviene in un tempo variabile da
pochi millesimi di secondo ad alcuni secondi.
L’assorbimento o fluorescenza delle particelle atomizzate viene
monitorata nella zona immediatamente sopra la superficie riscaldata.
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Esempio di atomizzatore elettrotermico
L’atomizzazione avviene nel tubo di grafite che è aperto da entrambi i
lati ed è munito di un foro centrale da cui si introduce il campione per
mezzo di una micropipetta.
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Esempio di atomizzatore elettrotermico
Nella figura è mostrata la piattaforma L’vov usata spesso nei fornetti di grafite in cui il campione viene vaporizzato e ridotto in cenere.
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Applicazioni degli atomizzatori elettrotermici
Offrono il vantaggio di possedere una sensibilità molto elevata per piccoli volumi di campione. Sono sufficienti volumi di campione tra 0.5 e 10 µL per avere limiti assoluti di rilevabilità nell’intervallo da 10-10 sino a 10-13 g di analita. I segnali in uscita sono transienti, a differenza di quelli che si hanno con la fiamma. La precisione relativa dei metodi elettrotermici è nell’intervallo dal 5% al 10% paragonata all’1% o meno che ci si può aspettare dall’atomizzazione a plasma o in fiamma.
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Spettroscopia di assorbimento atomico in fiamma
La spettroscopia di assorbimento atomico in fiamma è al momento il più utilizzato fra tutti i metodi atomici in virtù di: ✔ semplicità ✔ efficienza ✔ basso costo
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Effetto della piccola ampiezza delle linee sulle misurazioni di assorbimento
Poiché le energie di transizione per le linee di assorbimento atomico sono uniche per ciascun elemento i metodi analitici basati sull’assorbimento atomico possiedono la caratteristica di essere altamente selettivi. D’altra parte la piccola larghezza delle linee crea problemi nel caso di analisi quantitative.
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Chimica Analitica
L’uso di una radiazione che è stata isolata da una sorgente continua
mediante un comune monocromatore non è in grado di dare una
banda di radiazioni così stretta come la larghezza del picco di una
linea di assorbimento atomico (0.002 nm sino a 0.005 nm) causando
inevitabilmente deviazioni strumentali dalla legge di Beer.
Effetto della piccola ampiezza delle linee sulle misurazioni di assorbimento
Fenditura d’entrata
Fenditura d’uscita
Reticolo piano
Spechi parabolici fuori assi
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Il problema creato dalla larghezza molto piccola dei picchi di assorbimento si superò, negli anni ‘50, ricorrendo all’uso di
radiazioni prodotte da una sorgente in grado di emettere una linea della stessa lunghezza d’onda di quella scelta per l’analisi di
assorbimento, ma anche una linea più stretta.
Effetto della piccola ampiezza delle linee sulle misurazioni di assorbimento
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Chimica Analitica
Una lampada a vapori di Hg può essere selezionata come sorgente
esterna di radiazioni per la determinazione del Hg.
Gli atomi gassosi del Hg, eccitati elettricamente in tali lampade,
ritornano allo stato fondamentale emettendo una radiazione con
una lunghezza d’onda identica a quella assorbita dagli atomi
dell’analita di Hg nella fiamma.
Effetto della piccola ampiezza delle linee sulle misurazioni di assorbimento
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Poiché la lampada funziona ad una temperatura inferiore a quella
della fiamma, in cui è contenuto il campione, l’allargamento Doppler
e di pressione delle linee di emissione provenienti dalla lampada sono
inferiori all’allargamento dei picchi di assorbimento dell’analita nella
fiamma.
Effetto della piccola ampiezza delle linee sulle misurazioni di assorbimento
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Sorgenti a righe
Due diversi tipi di lampade sono usati negli strumenti di
assorbimento atomico:
� lampade a catodo cavo
� lampade a scarica senza elettrodi
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Lampade a catodo cavo
L’applicazione di un potenziale di circa 300 V tra l’anodo di
tungsteno e tra il catodo (formato dal metallo analita) causa la
ionizzazione dell’argon e genera una corrente di 5-10 mA dovuta a
ioni ed elettroni che migrano verso i due elettrodi.
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Se il potenziale è sufficientemente grande i cationi dell’argon colpiscono il catodo con sufficiente energia da rimuovere alcuni atomi del metallo producendo una nube atomica; questo processo è detto sputtering.
Gli atomi di metallo rimossi che si trovano allo stato eccitato emettono le loro tipiche lunghezze d’onda ritornando allo stato
fondamentale.
Sono disponibili in commercio lampade a catodo cavo per circa 70 elementi. Alcune lampade sono munite di un catodo contenente più
di un elemento.
Lampade a catodo cavo
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Lampade a scarica senza elettrodi
Questo tipo di lampade sono delle utili sorgenti di spettri a righe e danno intensità di radiazione da uno a due ordini di grandezza maggiori delle corrispondenti lampade a catodo cavo. La lampada è costituita da un tubo di quarzo contenente un gas inerte ed una piccola quantità del metallo analita. Non contiene elettrodi ma è energizzata da un campo molto intenso di radiazioni a frequenze radio o microonde. Esse sono particolarmente utili per gli elementi come As e Se per i quali le intensità delle lampade a catodo cavo sono basse. Le loro prestazioni non sono comunque affidabili quanto quelle delle lampade a catodo cavo.
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Modulazione della sorgente In una misura di assorbimento atomico è necessario distinguere la radiazione proveniente dalla sorgente da quella della fiamma. La maggior parte di quest’ultima è eliminata dal monocromatore che è sempre posto tra la fiamma ed il rivelatore. L’eccitazione termica di una frazione degli atomi dell’analita nella fiamma produce radiazioni di lunghezza d’onda per le quali il monocromatore è posizionato. Poiché tale radiazione non viene rimossa essa agisce come una sorgente potenziale di interferenze.
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Modulazione della sorgente
Modulando l’energia emessa dalla lampada a catodo cavo in modo tale che la sua intensità vari ad una frequenza costante si elimina l’effetto dell’emissione dell’analita. La modulazione è ottenuta ponendo un “chopper” circolare a motore tra la sorgente e la fiamma. In alternativa, le lampade a catodo cavo possono funzionare ad intermittenza.
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Strumentazione per la spettroscopia di assorbimento atomico
I componenti di uno strumento progettato per la spettroscopia di
assorbimento atomico sono uguali a quelli richiesti dagli strumenti per
l’analisi di assorbimento molecolare: sorgente, contenitore del campione
(in questo caso la fiamma), selettore della lunghezza d’onda ed un
sistema rivelatore-registratore.
Sono disponibili in commercio sia sistemi a singolo che a doppio raggio.
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Interferenze
Esistono due tipi di interferenze: ➲ interferenze del bianco ➲ interferenze dell’analita
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Interferenze del bianco
Una interferenze del bianco o additiva produce un effetto che è
indipendente dalla concentrazione dell’analita. Questi effetti
potrebbero essere ridotti se potesse essere preparato ed analizzato
nelle stesse condizioni un bianco perfetto. L’interferenza spettrale
ne è un esempio: l’effetto dell’emissione del Na a 285,28 nm
sulla determinazione del Mg a 285,21 nm. Con uno spettrometro
di media risoluzione, il sodio del campione determinerà letture
per il magnesio più alte, a meno che non venga sottratto un
bianco contenente la quantità esatta di sodio.
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Chimica Analitica
Interferenze del bianco
L’emissione delle bande molecolari
può anche causare un’interferenza del
bianco. Questo è particolarmente
fastidioso nella spettrometria di
fiamma, dove la più bassa temperatura
e l’atmosfera reattiva possono portare
alla produzione di specie molecolari.
A d e s e m p i o , u n a e l e v a t a
concentrazione di Ca in un campione
può produrre l’emissione della banda
d e l C a O H , c h e p u ò c a u s a r e
un’interferenza del bianco se si
presenta alla lunghezza d’onda
dell’analita.
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Chimica Analitica
Interferenze dell’analita
Le interferenze dell’analita variano l’intensità dello stesso segnale
analitico. Tali interferenze di solito non sono di natura spettrale,
ma derivano piuttosto da effetti fisici e chimici.
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Chimica Analitica
Interferenze dell’analita
Le interferenze fisiche possono alterare il processo di aspirazione,
nebulizzazione, desolvatazione e volatilizzazione. Le sostanze
presenti in soluzione che modificano la viscosità della soluzione
possono, per esempio, modificare l’efficienza del processo di
nebulizzazione.
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Chimica Analitica
Interferenze dell’analita
Le interferenze chimiche sono provocate da vari processi chimici
che avvengono durante l’atomizzazione e che alterano le
caratteristiche di assorbimento dell’analita. Le interferenze
chimiche sono generalmente minimizzate da opportune scelte delle
condizioni operative.
L’interferenza chimica più comune è quella dovuta agli anioni che formano con l’analita composti a bassa volatilità e che quindi
diminuiscono la velocità con cui sono atomizzati. Per esempio, in
alcune fiamme, la presenza di fosfati nel campione può alterare la
concentrazione atomica del Ca a causa della formazione di
complessi non volatili.
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Chimica Analitica
Interferenze dell’analita
Le interferenze chimiche dovute a formazione di specie con bassa
volatilità possono essere eliminate o ridotte usando temperature più
alte.
In via alternativa si possono introdurre agenti di rilascio cationici
che reagendo di preferenza con l’interferente prevengono la sua
reazione con l’analita. Per esempio, l’aggiunta di Sr minimizza
l’interferenza da parte del fosfato nella determinazione del Ca.
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Chimica Analitica
Interferenze dell’analita
Gli agenti protettivi impediscono l’interferenza formando soprattutto
specie stabili, ma volatili, con l’analita.
Tre agenti comuni per questo scopo sono l’EDTA, la 8-idrossichinolina e l’APDC (sale ammonico dell’acido 1-pirrolidinico
carbo-ditioico).
Ad esempio, è stato dimostrato che la presenza di ETDA minimizza l’interferenza di fosfato nella determinazione del Ca.
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Chimica Analitica
Interferenze dell’analita
Sostanze che alterano la ionizzazione dell’analita causano anche le
interferenze da ionizzazione. La presenza di un elemento
facilmente ionizzabile, come il K, può alterare il grado di
ionizzazione di un elemento meno facilmente ionizzabile come il
Ca. Nelle fiamme possono avere degli effetti marcati, a meno che
non si aggiunga al campione un elemento facilmente ionizzabile.
Questi vengono definiti come soppressori di ionizzazione (Na, Li,
Cs, ecc.).
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Chimica Analitica
Analisi quantitativa mediante spettroscopia di assorbimento atomico
La spettroscopia di assorbimento atomico rappresenta un mezzo
sensibile per la determinazione di più di 60-70 elementi.
Il metodo si adatta bene per misure di routine anche con operatori non particolarmente esperti.
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Chimica Analitica
Regione della fiamma per misure quantitative
La figura mostra l’assorbimento di tre elementi in funzione della distanza dalla punta del bruciatore.
La parte di fiamma da usare in un’analisi deve essere variata da elemento a elemento per ottenere la massima lettura in assorbanza.
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Chimica Analitica
L’assorbanza per il Mg è massima in prossimità della parte centrale
della fiamma. Lo stesso effetto non è visibile per l’Ag in quanto esso è
più resistente all’ossidazione. Per il Cr che forma ossidi molto resistenti
il massimo valore è raggiunto subito al di sopra dell’apice del
bruciatore. Per questo elemento, la formazioni di ossidi comincia non
appena si formano gli atomi di cromo.
Regione della fiamma per misure quantitative
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Chimica Analitica
Analisi quantitative
I metodi quantitativi di assorbimento atomico sono spesso basati su
curve di taratura, che in teoria sono lineari; tuttavia vi sono
deviazioni dalla linearità per cui le analisi non dovrebbero mai
essere basate sulla misura di un singolo standard.
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Chimica Analitica
Metodo dell’aggiunta dello standard esterno
In questo procedimento due o più aliquote del campione sono
trasferite in palloni volumetrici.
Uno viene diluito direttamente a volume mentre nell’altro si
introduce una quantità nota di analita, prima della diluizione allo
stesso volume.
A questo punto si misura l’assorbanza di ciascuna soluzione.
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Chimica Analitica
Metodo dell’aggiunta standard
Se esiste una relazione lineare tra assorbanza e
concentrazione si può applicare la seguente
relazione:
kVxcx VT Ax =
AT = kVxcx
VT +
kVscs
VT
Vx e cx = volume e concentrazione della soluzione di analita Vs e cs = volume e concentrazione dello standard VT = volume totale Ax e AT = assorbanza del campione e del campione più lo standard
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Chimica Analitica
Metodo dell’aggiunta standard
Le due equazioni precedenti sono facilmente combinate per dare:
Cx = ( Ax
AT -Ax ) csVs
Vx
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Chimica Analitica
Metodo dell’aggiunta standard
Riportando AT dell’equazione 1 in funzione di Vs così come
risulta nella figura riportata a lato la risultante linea può essere
estrapolata ad AT = 0.
Sostituendo questa relazione nell’equazione 1 e ricomponendo
si ha:
cx = -cs (Vs)0
Vx (Vs)0 è il volume standard ottenuto per estrapolazione.
L’uso del metodo delle aggiunte standard tende
a compensare le variazioni dovute alle
interferenze fisiche e chimiche nella soluzione
dell’analita.
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Chimica Analitica
Limiti di rilevabilità ed accuratezza
Nella tabella illustrata sotto vengono riportati i limiti di rilevabilità (ng/mL) per un certo numero di elementi comuni in analisi di spettroscopia atomica. In condizioni ordinarie, l’errore relativo di un’analisi di AA in fiamma sono tra 1-2%.
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Chimica Analitica
Determinazione del mercurio (253,7 nm) mediante assorbimento atomico a temperatura ambiente con una sensibilità di 1 ppb
1) formazione di Hg (II) 2) riduzione a Hg
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Chimica Analitica
Spettroscopia di emissione atomica
La spettroscopia di emissione atomica è ampiamente usata per
l’analisi elementare. Attualmente, l’ICP è la sorgente più diffusa
sebbene il DCP e la fiamma vengano ancora utilizzate in alcune
situazioni.
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Chimica Analitica
Spettroscopia di emissione in fiamma
La spettroscopia di emissione in fiamma ha trovato larga
applicazione per l’analisi elementare; in particolare si utilizza per
determinare Na, K, Li, Ca nei fluidi e tessuti biologici.
Tale procedimento è stato applicato con differenti risultati per la
determinazione di oltre metà degli elementi della Tavola Periodica.
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Chimica Analitica
Spettroscopia di emissione in fiamma
Oltre che per analisi di tipo quantitativo è utilizzata anche per
analisi di tipo qualitativo.
Mediante questa tecnica vengono registrati facilmente e
velocemente spettri completi e l’identificazione degli elementi
presenti si basa sulla lunghezza d’onda dei picchi, unici per ciascun
elemento.
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Chimica Analitica
Stumentazione per la spettroscopia di emissione in fiamma
La strumentazione richiesta dalla spettroscopia di emissione in
fiamma è simile a quella della spettroscopia di assorbimento in
fiamma.
Tuttavia poiché la fiamma agisce come sorgente di radiazioni la
lampada a catodo cavo ed il chopper non sono necessari.
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Chimica Analitica
Stumentazione per la spettroscopia di emissione ICP
Le emissioni degli atomi e degli ioni provenienti dal plasma vengono separate nelle lunghezze d’onda c o s t i t u e n t i m e d i a n t e u n monocromatore, policromatore o uno spettografo.
Selettore di lunghezza
d’onda
Trasduttore(i) Elaborazione
del segnale
Computer
Nebulizzatore
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Chimica Analitica
Stumentazione per la spettroscopia di emissione ICP
I l monocromatore i so la una lunghezza d’onda per volta su un’unica fenditura d’uscita, mentre il policromatore isola simultaneamente diverse lunghezze d’onda su una serie di fenditure. Lo spettrografo consente di avere un’ampia apertura in modo da avere in uscita un intervallo di lunghezze d’onda.
Selettore di lunghezza
d’onda
Trasduttore(i) Elaborazione
del segnale
Computer
Nebulizzatore
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Chimica Analitica
Stumentazione per la spettroscopia di emissione ICP
Selettore di lunghezza
d’onda
Trasduttore(i) Elaborazione
del segnale
Computer
Nebulizzatore
La radiazione isolata viene convertita in segnali elettrici mediante un singolo trasduttore, o mediante rivelatori in serie (array).
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Chimica Analitica
Stumentazione per la spettroscopia di emissione ICP
La spettrometria di emissione viene spesso utilizzata per le
determinazioni multielemento. Per tale scopo sono disponibili 2
tipi di strumenti. Lo spettrometro sequenziale utilizza un
monocromatore ed esegue in sequenza la scansione delle diverse
linee di emissione. I spettrometri simultanei utilizzano dei
policromatori o degli spettrografi. Alcuni spettrometri moderni
usano degli spettografi e uno o più array di rivelatori per
monitorare simultaneamente le varie lunghezze d’onda.
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Chimica Analitica
Non linearità nella spettroscopia di emissione atomica
I risultati quantitativi di solito si basano sul metodo degli standard
esterni. Chiaramente si desidera una relazione lineare tra la
concentrazione dell’elemento e la risposta del sistema di rivelazione.
Ad elevate concentrazione, la causa principale della non linearità è
l’autoassorbimento. Infatti, anche ad elevate concentrazioni la
maggior parte degli atomi dell’analita si trova nello stato
fondamentale. Durante l’emissione degli atomi eccitati, i fotoni
emessi possono essere assorbiti da questi atomi poichè essi hanno i
livelli di energia adatti per assorbire.
A basse concentrazioni, la ionizzazione dell’analita può determinare
la non linearità delle curve di calibrazione.
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Non linearità nella spettroscopia di emissione atomica
I metodi di emissione in fiamma spesso presentano un intervallo
di linearità che si estende su 2-3 ordini di grandezza. Le sorgenti
ICP e DCP possono presentare intervalli di linearità di 4-5 ordini
di grandezza.
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Chimica Analitica
Spettrometria di massa atomica
La spettrometria di massa al plasma ad accoppiamento induttivo
(ICP-MS) è una tecnica usata per la determinazione simultanea di
più di 70 elementi.
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Chimica Analitica
Spettrometria di massa atomica al plasma ad accoppiamento induttivo
Il problema principale dei sistemi ICP-MS è costituito dall’estrazione degli ioni dal plasma. Mentre un ICP opera a 1 atm i sistemi MS operano sotto vuoto spinto. L’interfaccia tra l’ICP e lo spettrometro di massa consiste, in genere, in 2 coni di metallo chiamati scrematori (skimmer). Ciascun “skimmer” ha un piccolo orifizio (1 mm) per permettere agli ioni di passare attraverso l’ottica che li guida nell’analizzatore di massa.
Analizzatore di massa
Interfaccia Rivelatore
Computer
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Chimica Analitica
Spettrometria di massa atomica al plasma ad accoppiamento induttivo
Il fascio di ioni introdotto nell’analizzatore MS ha quasi la stessa composizione ionica della regione del plasma dalla quale gli ioni vengono estratti.
Analizzatore di massa
Interfaccia Rivelatore
Computer
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Chimica Analitica
ICP-MS: analizzatori di massa
I più comuni sono a quadrupolo, settore magnetico, doppia focalizzazione ed anche a tempo di volo [time of flight (TOF)]. La risoluzione di un analizzatore di massa è definita come:
R = m Δm
dove m è la massa nominale e Δm è la differenza di massa che può essere risolta. Una risoluzione di 100 significa che ad una massa nominale di 100 si può distinguere la massa unitaria (1 Da)
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Chimica Analitica
ICP-MS: analizzatori di massa
L’analizzatore di massa a quadrupolo consiste in 4 barre cilindriche. Sono
fondamentalmente dei filtri di massa che permettono il passaggio soltanto
di ioni con un determinato rapporto massa/carica (m/z). Le barre opposte
sono collegate ad un potenziale elettrico e ad uno a radiofrequenza.
Modulando i potenziali si crea un cammino stabile per gli ioni con un
certo rapporto m/z. Gli spettri MS si ottengono mediante la scansione dei
potenziali applicati alle barre. La risoluzione tipica di un analizzatore a
quadrupolo è una unità di massa (bassa).
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Chimica Analitica
ICP-MS: analizzatori di massa
Negli analizzatori di massa a settore magnetico la separazione è
basata sulla deviazione degli ioni in un campo magnetico. Le
traiettorie degli ioni dipendono dai loro valori di m/z.
Nei sistemi ICP-MS a doppia focalizzazione, un settore elettrico
focalizza su una fenditura che porta ad un settore magnetico solo un
fascio di ioni aventi uno stretto intervallo di energie cinetiche. Tali
strumenti possono arrivare a valori di 10000 di risoluzione.
Nei sistemi TOF gli ioni entrano in
una regione libera da campo: il
tempo impiegato dagli ioni per
r a g g i u n g e r e i l r i v e l a t o r e è
direttamente proporzionale alla loro
massa.
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ICP-MS: rivelatori
I rivelatori più comuni nei sistemi ICP-MS sono i moltiplicatori di elettroni a dinodi discreti, che opera in maniera simile a un trasduttore fotomoltiplicatore per la radiazione UV/Vis. Gli elettroni colpiscono un catodo, il quale emette degli elettroni secondari. Questi vengono attratti dai dinodi i quali sono mantenuti a potenziali progressivamente più positivi.
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ICP-MS: interferenze
Le interferenze sono di 2 tipi: interferenze spettroscopiche ed
effetti di matrice. Le prime avvengono quando una specie ionica
nel plasma ha lo stesso valore di m/z di uno ione dell’analita. Un
sistema MS ad alta risoluzione può ridurre queste interferenze.
Gli effetti matrice diventano evidenti per concentrazioni
maggiori di 500-1000 µg/mL. Di solito, questi effetti
determinano una riduzione del segnale dell’analita.
