Capitulo 4 Espectroscopia de Absorción Atómica Archivo
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FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS Asignatura: ANALISIS INSTRUMENTAL Carrera: Bromatología y Lic. en Bromatología CAPITULO IV ESPECTROSCOPIA ATOMICA Capítulo IV Espectroscopía Atómica 1| FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS Asignatura: ANALISIS INSTRUMENTAL Carrera: Bromatología y Lic. en Bromatología ESPECTROSCOPIA ATOMICA Esta técnica está basada en el fenómeno de absorción de la luz de determinadas longitudes de onda por parte de átomos vaporizados en estado de reposo. Las bandas de absorción son muy estrechas, por lo cual el espectro total de absorción de un átomo se define como espectro de líneas. El elemento en estudio es situado en una llama, donde es disociado de sus enlaces químicos y, por ganancia de electrones, se sitúa en un estado atómico base neutro no excitado ni ionizado. La sensibilidad de los métodos atómicos está dentro de los límites de partes por millón a partes por mil millones, partes por billón (ppb). Las ventajas adicionales de estos métodos son rapidez, conveniencia, selectividad inusualmente elevada y costos moderados de los instrumentos. La determinación espectroscópica de especies atómicas sólo se puede llevar a cabo dentro de un medio gaseoso, en el cual los átomos individuales están separados unos de los otros. Consecuentemente, el primer paso en todos los procedimientos espectroscópicos es la atomización, un proceso en el cual la muestra es volatilizada y descompuesta para producir un gas atómico. La eficiencia y reproducibilidad del paso de atomización determina en gran parte la sensibilidad, precisión y exactitud del método, es decir, la atomización es, con mucho, el paso más importante en la espectroscopia atómica. Como se muestra en la tabla 1 hay tres tipos de espectroscopia atómica basados en la atomización en llama: 1) espectroscopia atómica de absorción (AAS), 2) espectroscopia atómica de emisión (AES), y 3) espectroscopia atómica de fluorescencia (AFS). Tabla 1: Clasificación de los métodos espectrales atómicos Método de atomización Temperatura normal de atomización, ºC Flama 1700 a 3150 Electrotérmica 1200 a 3000 Plasma de Argón acoplado inductivamente Plasma de Argón de corriente directa Arco eléctrico Chispa eléctrica 5000 a 8000 Bases del método Nombre común Absorción Emisión Fluorescencia Absorción Espectroscopía atómica de absorción Espectroscopía atómica de emisión Espectroscopía atómica de fluorescencia Espectroscopía atómica de absorción electrotérmica Espectroscopía atómica de fluorescencia Fluorescencia electrotérmica Emisión Espectroscopía de plasma acoplado inductivamente Espectroscopía de fluorescencia de plasma Fluorescencia acoplado inductivamente 6000 a 10000 Emisión Espectroscopía de plasma 4000 a 5000 Emisión Espectroscopía de emisión de fuente de arco 40000 Emisión Espectroscopía de emisión de fuente de chispa Los espectros atómicos de emisión, de absorción y de fluorescencia son mucho más sencillos que los espectros moleculares correspondientes debido a que no hay estados vibracionales ni rotacionales; están constituidos por un número limitado de picos angostos o de líneas. Espectros de emisión: La figura 1a es un diagrama de un nivel de energía parcial para el sodio atómico, que muestra el origen de tres de sus líneas de emisión más prominentes. Estas líneas se generan la calentar el sodio gaseoso a 2000 ºC – 3000ºC en una llama. El calor promueve los electrones exteriores de los átomos de los orbitales 3 s de su estado basal, a los orbitales 3p, 4p y 5p de estados excitados (figura 1b). Después de un microsegundo o Capítulo IV Espectroscopía Atómica 2| FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS Asignatura: ANALISIS INSTRUMENTAL Carrera: Bromatología y Lic. en Bromatología menos, los electrones excitados se relajan al estado basal y desprenden su energía como fotones y radiación visible o ultravioleta. Como se muestra a la derecha de la figura, las longitudes de onda de la radiación emitida son 590, 330 y 285 nm. Espectros de Absorción En la figura 1c se presentan tres de los picos de absorción para el vapor de sodio. Aquí, la absorción de la radiación de 285, 330 y 590 nm excita al electrón solo, exterior del sodio de su nivel de energía 3s al estado basal a los orbitales excitados 3p, 4p y 5p, respectivamente. Después de un microsegundo los electrones excitados se relajan al estado basal, transfiriendo su exceso de energía a otros átomos o moléculas del medio. De manera alternativa, el relajamiento puede tomar la forma de fluorescencia. Los espectros de emisión y de absorción para el sodio son relativamente sencillos y consisten posiblemente de 40 picos. Para los elementos que tienen varios electrones exteriores que pueden ser excitados, los espectros pueden ser mucho más complejos y contar con centenares de picos. Fig. 1a. Origen de tres líneas de emisión para el sodio Fig. 1b. Transiciones electrónicas responsables de las líneas Fig. 1c. Espectro de absorción parcial para el vapor de sodio Propiedades de las llamas Cuando una muestra nebulizada se lleva al interior de una llama, el disolvente se evapora en la zona de combustión primaria de la llama, la cual está localizada justamente arriba de la punta del quemador (fig. 2). Las partículas sólidas Zona de finamente divididas resultantes son llevadas combustión a una región en el centro de la llama, secundaria Región denominada región interzonal. Aquí, en la interzonal parte más caliente de la llama, se forman los átomos gaseosos y los iones elementales a Zona de partir de las partículas sólidas. En esta región combustión también se lleva a cabo la excitación del primaria espectro atómico de emisión. Finalmente, los átomos y los iones son llevados al borde exterior, o a la zona de combustión secundaria, en donde la oxidación se puede Mezcla Combustible - oxidante presentar antes de que los productos de la atomización se dispersen en la atmósfera. Fig. 2: Regiones de una llama Capítulo IV Espectroscopía Atómica 3| FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS Asignatura: ANALISIS INSTRUMENTAL Carrera: Bromatología y Lic. en Bromatología Debido a que la velocidad de la mezcla combustible/oxidante a través de la llama es elevada, sólo una parte de la muestra experimenta todos los procesos. En consecuencia, una llama no es un atomizador muy eficiente. o Tipos de llama que se utilizan en espectroscopia atómica En la tabla 2 se enlistan los combustibles y oxidantes comunes empleados en la espectroscopia de llama y el nivel aproximado de temperatura que se logran con cada una de estas mezclas. Obsérvese que las temperaturas de 1700ºC a 2400ºC se obtienen con los diversos combustibles cuando el aire es el que actúa como oxidante. A estas temperaturas, sólo las especies que son excitadas con facilidad, tales como los metales alcalinos y los alcalinotérreos, producen espectros de emisión utilizables. Para las especies de los metales pesados, los cuales son excitados con menor facilidad, se deben emplear oxígeno u óxido nitroso como oxidante. Con los combustibles comunes, estos oxidantes producen temperaturas de 2500ºC a 3100ºC. Tabla 2. Llamas empleadas en espectroscopia atómica o Combustible y oxidante Temperatura, ºC Gas / aire 1.700 -1.900 Gas / O2 2.700 -2.800 H2 / Aire 2.000 -2.100 H2 / O2 2.550 – 2.700 C2H2 /O2 3.050 – 3.150 C2H2 / aire 2.100 – 2.400 C2H2/N2O 2.600 - 2.800 Los efectos de la temperatura de la llama Ambos espectros, el de emisión y el de absorción, son afectados de un modo complejo por variaciones en la temperatura de la llama. Las elevadas temperaturas aumentan la población total de átomos de la llama y de esta forma, la sensibilidad. Sin embargo, con ciertos elementos, este aumento en la población de los átomos es mayor que la disminución debido a la pérdida de átomos como resultado de la ionización. La temperatura de la llama determina también el número relativo de átomos excitados y no excitados en una llama. Por ejemplo, en una llama de aire/acetileno, la relación de átomos de magnesio excitados a no excitados se puede calcular como de 10-4, en tanto que en una llama de oxígeno/acetileno, la cual es aproximadamente 700 ºC más caliente, esta relación es de alrededor de 10-6. Así, los métodos de emisión, basados en la población de átomos excitados, necesitan un control mucho más estricto de la temperatura de la llama que los procedimientos de absorción, en los cuales la señal analítica depende del número de átomos no excitados. Espectroscopía de Absorción Atómica Este es el método más ampliamente utilizado de todos, por su sencillez, efectividad, y costo relativamente bajo. EQUIPO: Capítulo IV Espectroscopía Atómica 4| FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS Asignatura: ANALISIS INSTRUMENTAL Carrera: Bromatología y Lic. en Bromatología Básicamente todos los instrumentos de medida de la absorción se componen de cinco partes principales: Fuente de radiación Portacelda o recipiente para la muestra Monocromador Detector de la energía radiante Un dispositivo de lectura Fuente de radiación: La fuente es muy diferente a las utilizadas en espectrocopía molecular, las bandas son lo suficientemente anchas para permitir el uso de una fuente continua y un monocromador. La línea de absorción atómica en una llama u horno es más angosta que la banda. En los instrumentos de absorción atómica se utilizan dos tipos de lámpara: lámparas de cátodo hueco y lámparas de descarga sin electrodos. Lámparas de descarga sin electrodo: En los comercios es posible conseguir lámparas de descarga sin electrodo para diversos elementos. Sin embargo, su desempeño aparentemente no es tan confiable como el de la lámpara de cátodo hueco. Lámparas de cátodo hueco: la fuente de radiación más útil para la espectroscopia de absorción atómica es la lámpara de cátodo hueco, que se muestra en la figura 3. Consiste en un ánodo de tungsteno y un cátodo cilíndrico sellado en un tubo de vidrio que contiene un gas inerte, por ejemplo, argón, a presión de 1 a 5 torr. El cátodo es fabricado con el metal del analito o puede servir como soporte para un recubrimiento de ese metal. Fig. 3. Diagrama de una lámpara de cátodo hueco. La aplicación de un potencial cercano a 300 V a través de los electrodos produce la ionización del argón y la generación de una corriente de 5 a 10 mA a medida que los iones y electrones del argón migran a los dos electrodos. Si el potencial es suficientemente grande, los cationes de argón chocan en el cátodo con suficiente energía para desalojar algunos de los átomos del metal y, por lo tanto, producen una nube atómica; este proceso se denomina chisporroteo. Esos átomos metálicos chisporroteados que están en el estado excitado emiten sus longitudes de onda características a medida que regresan al estado basal. Es importante recordar que los átomos de la lámpara que producen líneas de emisión están a una temperatura significativamente menor que los átomos de analito en la llama. Los átomos de metal Capítulo IV Espectroscopía Atómica 5| FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS Asignatura: ANALISIS INSTRUMENTAL Carrera: Bromatología y Lic. en Bromatología chisporroteado en una lámpara son ocasionalmente difuminados de regreso a la superficie del cátodo donde se depositan. En el comercio se pueden conseguir lámparas de cátodo hueco para alrededor de 60 elementos. Modulación de la fuente: En las mediciones de absorción atómica es necesario discriminar entre la radiación que proviene de la fuente y la que proviene de la llama. Gran parte de esta última es eliminada por el monocromador, el cual siempre está localizado entre la llama y el detector. Sin embargo, la excitación térmica de una fracción de los átomos del analito en la llama produce radiación de la longitud de onda a la cual está ajustado el monocromador. Debido a que esta radiación no se elimina, actúa como una fuente potencial de interferencia. El efecto de la emisión del analito es superado por la modulación de la salida de la lámpara de cátodo hueco, de modo que su intensidad fluctúe a una frecuencia constante. Así, el detector recibe una señal alterna de la lámpara de cátodo hueco y una señal continua de la llama y convierte estas señales en los tipos correspondientes de corriente eléctrica. Con frecuencia la modulación se obtiene interponiendo una cuchilla circular eléctrica o chopper entre la fuente y la llama (fig. 4). Fig. 4: Trayectorias ópticas en un espectrómetro de absorción atómica de doble rayo. Atomizadores: 1. Atomizadores de llama: Para conseguir que los átomos absorban radiación hay que obtener una población de estos al estado basal a partir de la solución de una muestra, cuya absorbancia esté relacionada en forma sencilla con la concentración del analito en la solución. Esto se puede lograr con una llama, y hay dos tipos de quemadores que se utilizan: Quemador de flujo turbulento, de consumo total: en este caso el nebulizador y el quemador están combinados en la misma unidad. La muestra es aspirada por un capilar y nebulizada por el efecto del flujo del gas alrededor del extremo del capilar. Los quemadores de flujo turbulento ofrecen la ventaja de permitir la introducción en la llama de muestras relativamente grandes y representativas. Entre las desventajas se incluyen un recorrido relativamente corto en la llama y problemas de obturación en el extremo del capilar (figura 5). Fig. 5. Quemador de consumo total. Capítulo IV Espectroscopía Atómica 6| FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS Asignatura: ANALISIS INSTRUMENTAL Carrera: Bromatología y Lic. en Bromatología Quemador de flujo laminar o de premezcla: la muestra es nebulizada por el flujo de oxidante, una vez pasado el extremo del capilar. El aerosol resultante se mezcla con el combustible y pasa a través de una serie de deflectores, que eliminan las gotas que no sean muy finas. Debido a estos deflectores la mayor parte de la muestra se reúne en el fondo de la cámara de mezcla, de donde se envía a un recolector de deshechos. El aerosol, el oxidante y el combustible, se queman en la ranura de un quemador, que produce una llama que generalmente tiene 5 ó 10 cm de longitud. Los quemadores de flujo laminar producen una llama relativamente estable y un recorrido mayor, lo cual aumentan la sensibilidad. Además, la obstrucción rara vez constituye un problema (figura 6). Fig. 6. Quemador de premezcla. 2. Atomización electrotérmica: El más empleado es el horno de grafito, que aporta mayor sensibilidad que la llama y se emplea en la determinación de metales pesados, como el plomo. Utiliza cantidades mínimas de muestra con alta eficiencia. La muestra se inyecta en el interior del tubo de grafito y se le aplica luego una corriente de hasta 300 A. El grafito se calienta a alta temperatura, lo que vaporiza y atomiza la muestra. La luz de la lámpara de cátodo hueco atraviesa el tubo, donde es absorbida. 3. Generador de vapor de hidruro: Es un método específico para determinados elementos (Hg, As, Se, etc) que permite mayor sensibilidad. Utiliza reacciones químicas para vaporizar al analito como átomos o moléculas simples. Se hace reaccionar la muestra con hidrógeno naciente para producir el hidruro metálico volátil (por ej. H3As). En el método más aceptado actualmente, se utiliza el borhidruro de sodio como reductor. Esta fase gaseosa es enviada a la celda de absorción, que es calentada por una llama aire-acetileno y el hidruro es atomizado. Monocromador: Los de uso más frecuente en absorción atómica son los prismas y rendijas. Capítulo IV Espectroscopía Atómica 7| FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS Asignatura: ANALISIS INSTRUMENTAL Carrera: Bromatología y Lic. en Bromatología Detectores: El detector por lo común es un tubo fotumultiplicador, ya que las líneas caen en la región UV-Visible del espectro. Se mantienen estables y permiten comparar líneas intensas. Instrumento de lectura: Puede ser un galvanómetro sencillo, un voltímetro digital, un potenciómetro registrador, una computadora con salida digital del amplificador. Un instrumento de absorción atómica contiene los mismos componentes básicos que un instrumento diseñado para las mediciones de absorción molecular: una fuente, un contenedor de la muestra, un selector de longitud de onda y un detector/sistema para la lectura. Algunos fabricantes ofrecen instrumentos tanto de simple haz como de doble haz. Espectrofotómetros: la mayor parte de las mediciones de absorción atómica se hacen con instrumentos equipados con un monocromador de rejilla ultravioleta/visible. La figura 4 es una representación esquemática de un instrumento característico de doble haz. La radiación de la lámpara de cátodo hueco es dividida mecánicamente en dos haces, uno de los cuales pasa a través de la llama y el otro alrededor de la llama. Un espejo semiplateado regresa ambos rayos a una sola trayectoria, por la cual pasan alternativamente a través del monocromador y de allí al detector. Interferencias: En los métodos de absorción atómica hay distintos tipos de interferencias: a) Interferencia química. Se produce cuando se forman ciertos compuestos que la llama no puede disociar. Para arreglarlo, se añaden soluciones de elementos que desplazan el elemento de interés de esas uniones químicas indeseables por mayor afinidad con el anión. Ejemplo: para la determinación de calcio, se añade una solución de lantano. b) Interferencia por ionización. Se produce cuando los átomos de la llama están ionizados en lugar de estar en estado de reposo; en esta situación, no absorben energía incidente, y hay una aparente disminución de concentración de la sustancia. Se puede corregir añadiendo un exceso de una sustancia fácilmente ionizable, que provea de electrones libres al sistema. El exceso de electrones hace que los átomos pasen del estado ionizado al de reposo, y sean capaces de absorber energía. La interferencia se reduce también disminuyendo la temperatura de la llama de aire-acetileno. c) Interferencia de la matriz. Pueden originarse errores por diferencia en la imposición de estándares y muestras. Estos efectos se disminuyen procurando que las soluciones estándar y los problemas sean lo más parecidos posible en su composición. d) Interferencia de emisión. Se produce cuando una parte apreciable de átomos en la llama se excitan, y decaen luego a su estado fundamental emitiendo energía en su espectro de líneas característico. Esta energía llega al detector, junto con la restante del proceso de absorción en la llama, y hace que aparezca que ha habido menos absorción, apareciendo, por tanto, la concentración de elemento falsamente disminuida. Puede ser eliminada por el uso de un «chopper» o fragmentador del haz de luz que sale de la lámpara. Aplicaciones analíticas: análisis cuantitativo La espectroscopía de absorción atómica proporciona un medio sensible de determinación de más de 60 elementos. Fundamentalmente se aplica para la determinación de trazas de metales, especialmente en muestras líquidas. El método se adapta bien a las mediciones de rutina por operadores poco entrenados. Esta sección trata de algunos de los detalles prácticos que se han de considerar al realizar un análisis basado en la absorción atómica de llama o electrotérmica. Preparación de la muestra: Una desventaja de los métodos espectroscópicos de llama es que la muestra se ha de introducir en la fuente de excitación necesariamente disuelta, por lo general en agua. Desafortunadamente, muchos materiales de interés, tales como suelos, tejidos animales, plantas, derivados del petróleo y minerales, no son directamente solubles en los disolventes Capítulo IV Espectroscopía Atómica 8| FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS Asignatura: ANALISIS INSTRUMENTAL Carrera: Bromatología y Lic. en Bromatología comunes, y con frecuencia se requiere un tratamiento previo laborioso para obtener una disolución del analito adecuada para la atomización. Para la descomposición y disolución de la muestra, algunos de los procedimientos habituales que se utilizan incluyen el tratamiento con ácidos minerales en caliente; la oxidación con reactivos líquidos como los ácidos sulfúrico, nítrico o perclórico (mineralización por vía húmeda); la combustión en una bomba de oxígeno u otro tipo de contenedor cerrado (para evitar la pérdida de analito); mineralización a alta temperatura; y la fusión a elevada temperatura con reactivos como óxido bórico, carbonato de sodio, peróxido de sodio o pirosulfato de potasio. Método de la curva de calibración: Se debe preparar periódicamente una curva de calibración que cubra el intervalo de concentraciones que se encuentran en la muestra. Además, en la atomización y en la medición de la absorbancia existen un gran número de variables incontroladas que justifican la medición de una disolución patrón cada vez que se realiza un análisis (aún mejor si se utilizan dos patrones cubriendo un intervalo de concentraciones que englobe a la concentración del analito). Cualquier desviación del patrón con respecto a la curva de calibración original, se puede utilizar para corregir el resultado analítico. Método de adición de estándar o de agregado patrón: el método de adición de estándar es utilizado ampliamente en la espectroscopia de absorción atómica. Algunas soluciones de muestras desconocidas (generalmente 4 ó más) a las cuales se le adicionan pequeñas cantidades de soluciones con concentraciones conocidas (de la sustancia a determinar), estos serían los patrones. Se miden las absorbancias de esta serie de muestras y se prepara la curva de calibración de las absorbancias versus la concentración del patrón agregado. La ventaja de este método es que disminuye los errores causados por varias interferencias debidas a las diferencias en la composición. La curva de calibración debe tener buena linealidad en el área de trabajo y debe pasar por el punto cero. Espectroscopía de Emisión Atómica: Fotometría de Llama La espectroscopía de emisión atómica mediante el empleo de una llama (llamada también espectroscopia de emisión en llama o fotometría de llama) ha encontrado numerosas aplicaciones en el análisis elemental. Se basa en la excitación de un elemento por la energía térmica de una llama, y medida de la luz emitida por dicho elemento al volver a su estado fundamental. La luz emitida es proporcional a su concentración en la solución. Sus aplicaciones más importantes son la determinación de sodio, potasio, litio y calcio, especialmente de líquidos y tejidos biológicos. Gracias a su conveniencia, rapidez y libertad relativa de interferencias, la espectroscopia de emisión en llama se ha convertido en el método de elección para estos elementos, los cuales son difíciles de determinar de otro modo. Además de sus aplicaciones cuantitativas, la espectroscopia de emisión en llama también es aplicable al análisis cualitativo. Los espectros completos son registrados con facilidad, más tarde, la identificación de los elementos presentes se basa sobre las longitudes de onda de los picos, los cuales son exclusivos para cada elemento. En este sentido, la emisión en llama tiene una clara ventaja sobre la absorción en llama, la cual no proporciona espectros completos de absorción debido a la naturaleza discontinua de las fuentes de radiación que emplea. EQUIPO: Los instrumentos para el trabajo de emisión en llama son similares en diseño a los utilizados para la absorción en llama, excepto que en el primer caso la llama actúa como fuente de radiación; por consiguiente, es innecesario la lámpara de cátodo hueco y el Chopper. Capítulo IV Espectroscopía Atómica 9| FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS Asignatura: ANALISIS INSTRUMENTAL Carrera: Bromatología y Lic. en Bromatología La solución problema es succionada por un atomizador que utiliza un combustible gaseoso y se alimenta a la llama en forma de rocío fino. La luz emitida se colecta por medio de un espejo y un lente y se hace pasar por un monocromador (prisma o red) o simplemente a través de un filtro. La luz de la longitud de onda apropiada incide en un fotodetector y el medidor indica la magnitud de la señal. Reguladores de presión: Los reguladores de presión y los medidores de flujo, se instalan en las líneas de gas para permitir un ajuste reproducible de las velocidades de flujo la de la proporción de combustible y de gas oxidante. Portamuestra: Recipiente cualquiera desde el cual la solución problema pasa a la llama o fuente luminosa. Para ello hay dos posiblilidades: a) Aspiración directa (pulverizador directo) en una llama turbulenta. b) Llama laminar: después de una previa dispersión en una pre-cámara (pulverización de precámara). Fuente: la llama Puede alimentarse con distintas mezclas gaseosas (gas natural/aire; hidrógeno/oxígeno, etc.) y su temperatura depende de la composición, velocidad de flujo estándar, temperatura de los gases, manera de introducir la solución y forma del mechero. La temperatura de la llama tiene gran influencia sobre los resultados de determinación. Si es demasiado baja para la disociación de la sal, vaporización y atomización, las líneas que se obtendrán serán muy débiles. Una temperatura excesivamente alta, también tiene efectos detrimentales, produciendo una pérdida de la intensidad de la luz emitida. Sistema óptico: Su función es la de recoger las radiaciones que han pasado a través de las ranuras y las enfoca sobre la superficie fotosensible del detector. Monocromador: Aunque se pueden emplear un prisma o una red como monocromador, generalmente es suficiente con un filtro, debido a la simplicidad de los espectros de llama. Detectores: Fotocélulas o fotomultiplicadores, debido a que las líneas de emisión caen en la región UV-Visible y con ellos se obtiene mayor sensibilidad. Instrumento de lectura: Es un galvanómetro de gran sensibilidad, generalmente poseen una escala superior para K+ y otra inferior para Na+. Nos proporciona directamente la concentración. La concentración es conveniente expresarla en meq/L ó mg/L. Fotómetros: Para el análisis de rutina de los metales alcalinos a menudo es suficiente la utilización de fotómetros simples de filtros. En estos casos se utiliza una llama de baja Capítulo IV Espectroscopía Atómica 10 | FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS Asignatura: ANALISIS INSTRUMENTAL Carrera: Bromatología y Lic. en Bromatología temperatura para evitar la excitación de la mayoría de los demás metales. En consecuencia los espectros son simples, y se pueden utilizar filtros de interferencia para aislar la línea de emisión que se desea. Algunos fabricantes de instrumentos construyen fotómetros de llama diseñados específicamente para el análisis del sodio, potasio y litio en el suero sanguíneo y otras muestras de origen biológico. Aplicaciones analíticas: Análisis Cualitativo: Es de importancia en la detección de elementos de los grupos I y II de la tabla periódica. Método rápido, sencillo y bastante seguro si se opera con cuidado. Limitaciones: a) no se obtiene información sobre la estructura molecular, pero muy usado en análisis elemental. b) no detectan elementos que irradian: C, H2, Halógenos. Análisis Cuantitativo: En la determinación cuantitativa de los elementos del grupo I. También otros elementos, pero con equipos de elevada resolución óptica. Se introduce la muestra en la llama y se mide la intensidad de la radiación de la longitud de onda adecuada. La concentración del metal se obtiene midiendo dicha intensidad por los siguientes métodos: a)Utilizando curva de calibrado: es el más utilizado. b)Método de adición estándar: la muestra se separa en varias alícuotas, una de ellas no se trata y a las otras se añaden cantidades conocidas del elemento a determinar, por ejemplo Na. Se mide la intensidad por cada muestra y se representa frente a la cantidad de Na añadida a cada alícuota (método gráfico) o bien a través de cálculos. Comparación entre los métodos de Absorción Atómica y de Emisión Atómica A fin de comparar, en los siguientes párrafos se enumeran las principales ventajas e inconvenientes de los dos métodos más utilizados de espectroscopia de llama. Estas comparaciones son aplicables a los espectrofotómetros corrientes que se adaptan fácilmente a la determinación de numerosos elementos. Instrumentos: La principal ventaja de los procedimientos de emisión consiste en que la llama actúa como fuente. Por el contrario, los métodos de absorción necesitan de una lámpara diferente para cada elemento. Por otra parte, la calidad del monocromador de un instrumento de absorción no tiene que ser tan alta para alcanzar el mismo grado de selectividad, debido a la estrechez de las líneas emitidas por la lámpara de cátodo hueco. Habilidad del operador: Los métodos de emisión requieren por lo general un mayor grado de habilidad por parte del operador, debido a la naturaleza critica de ajustes tales como la longitud de onda, la zona de la llama escogida y la relación combustible/oxidante. Corrección del fondo: La corrección de los espectros de bandas que provienen de los constituyentes de la muestra, se realiza con mayor facilidad y por lo general con más exactitud en los métodos de emisión. Precisión y exactitud: En manos de un operador experto, la incertidumbre es aproximadamente la misma para ambos procedimientos. Con personal menos entrenado, los métodos de absorción atómica presentan menos problemas. Interferencias: Ambos métodos sufren interferencias químicas semejantes. Los procedimientos de absorción atómica están menos sujetos a interferencias de líneas espectrales, aunque en los métodos de emisión este tipo de interferencias se reconocen y se evitan fácilmente. Capítulo IV Espectroscopía Atómica 11 | FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS Asignatura: ANALISIS INSTRUMENTAL Carrera: Bromatología y Lic. en Bromatología GUÍA TEÓRICA ESPECTROSCOPIA ATOMICA - FOTOMETRÍA DE LLAMA - ABSORCIÓN ATÓMICA 1. Elaborar, con ayuda de la bibliografía, un Cuadro Comparativo lo más completo posible entre Fotometría de llama y Absorción Atómica (fundamento, equipo, analitos, semejanzas, diferencias, etc.) CUADRO COMPARATIVO ESPECTROSCOPIA DE ABSORCIÓN ATOMICA PARTES DESCRIPCIÓN Capítulo IV Espectroscopía Atómica ESQUEMA ESPECTROSCOPIA DE EMISIÓN ATOMICA: Fotometria de Llama PARTES DESCRIPCIÓN ESQUEMA 12 | FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS Asignatura: ANALISIS INSTRUMENTAL Carrera: Bromatología y Lic. en Bromatología Capítulo IV Espectroscopía Atómica 13 | FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS Asignatura: ANALISIS INSTRUMENTAL Carrera: Bromatología y Lic. en Bromatología TRABAJO PRÁCTICO Nº 3 ESPECTROSCOPIA ATÓMICA Mientras que la mayoría de las técnicas espectroscópicas se utilizan para el estudio y caracterización de moléculas o iones en su entorno cristalino, la espectroscopía de emisión y absorción atómica se usa casi exclusivamente para el análisis de átomos. La técnica resulta casi insuperable como método de análisis elemental de metales, para la identificación y para la determinación cuantitativa de todos los elementos de la tabla periódica. Cuando la transición se produce desde el estado fundamental hasta un estado excitado del átomo mediante la absorción de radiación de una determinada frecuencia (característica para cada átomo), estamos en el caso de las técnicas de absorción. En el caso en que los átomos se lleven previamente a un estado excitado y se mide la intensidad de la radiación emitida a la frecuencia característica correspondiente a la transición desde el estado excitado al estado fundamental, hablamos de técnicas espectrofotométricas de emisión. ESPECTROSCOPÍA DE ABSORCIÓN ATÓMICA (EAA) La espectroscopía de absorción atómica es ampliamente utilizada en el laboratorio para la determinación de la mayoría de los metales. Esta técnica está basada en el fenómeno de absorción de luz a longitudes de onda muy definidas por parte de átomos vaporizados en estado de reposo. Las bandas de absorción son muy estrechas, por lo que el espectro de absorción de un átomo se define como espectro de líneas (0,001 a 0,01 nm). El elemento en estudio es situado en una llama, donde es disociado de sus enlaces químicos y, por ganancia de electrones, se sitúa en un estado atómico base, no excitado ni ionizado. En este estado basal, el átomo es capaz de absorber la radiación emitida por una fuente consistente en una lámpara de cátodo hueco, construida del metal a estudiar, y emite el “espectro de líneas” característico de éste. La longitud de onda de la energía radiante absorbida es la misma que sería emitida si el elemento se encontrase excitado. La característica de interés en las medidas por absorción atómica es la cantidad de luz, a la longitud de onda seleccionada, que es absorbida, cuando la luz pasa a través de una nube atómica. Con ayuda de un monocromador, se selecciona la longitud de onda de interés, y se mide la atenuación de la luz incidente a su paso por la nube atómica. Esta atenuación es consecuencia de las interacciones de los fotones con los átomos en estado fundamental que se encuentran en el vapor atómico. A medida que el número de átomos se incrementa en el paso de luz, aumenta la cantidad de luz absorbida. La nube de átomos requerida para las mediciones en absorción atómica es producida por la adición de suficiente energía térmica a la muestra, para disociar los compuestos químicos en átomos libres. La aspiración de la solución de la muestra, dentro de la llama alineada con el rayo de luz, sirve para ese propósito. Bajo condiciones apropiadas de llama, muchos de los átomos permanecerán en la forma de su estado fundamental, y serán capaces de absorber la longitud de onda apropiada proveniente de una fuente de luz. Su facilidad y la velocidad a la que se pueden hacer determinaciones exactas y precisas utilizando esta técnica, han hecho que sea de amplia aplicación en la determinación de metales. Se emplean espectrofotómetros de haz simple o de doble haz. Con los de doble haz se obtienen mejoras muy grandes en las lecturas. Los espectrofotómetros de absorción atómica cuentan hoy en día con completos microprocesadores que facilitan la obtención de resultados, trabajando con curvas de calibración, incluso fuera de los límites de Iinearidad. La Ley de Lambert - Beer es válida para relacionar la concentración de átomos en la llama con la absorción de luz. De esta manera, se puede efectuar una determinación cuantitativa del analito presente, midiendo la cantidad de luz absorbida. Capítulo IV Espectroscopía Atómica 14 | FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS Asignatura: ANALISIS INSTRUMENTAL Carrera: Bromatología y Lic. en Bromatología Instrumental Los espectrofotómetros de absorción atómica constan de: 1- Fuente de luz: Lámpara de cátodo hueco. 2- Quemador o atomizador. 3- Componentes fotométricos: rendijas, monocromador, detector 1- Fuente: Lámpara de cátodo hueco Es la fuente de luz. Está diseñada para emitir el espectro atómico de un elemento. Se utilizan lámparas específicas según el elemento a determinar. Está constituida por un cátodo hueco formado del metal a medir, o una aleación apropiada de éste. El ánodo y el cátodo se encuentran en un cilindro de vidrio sellado, y lleno de un gas inerte, normalmente neón o argón a baja presión. Tiene una ventana, de vidrio o cuarzo, que permite la transmisión de la luz. La lámpara funciona de la siguiente manera: se suministra una corriente eléctrica al cátodo, que hace que se liberen iones metálicos de éste y llenen la lámpara con el vapor atómico. Los átomos del vapor se excitan por colisión con los átomos del vapor inerte, con la resultante excitación electrónica; cuando regresan a su estado fundamental, emiten su energía radiante característica (espectro de líneas). De esta forma, obtenemos una energía radiante de una longitud de onda adecuada para ser absorbida por los átomos en estado de reposo que se encuentren en la llama. Habitualmente se emplea una lámpara para cada elemento, aunque hay lámparas para dos o varios elementos, compuestas por aleaciones de los elementos de interés. 2- Atomizador (quemador): La determinación espectroscópica de especies atómicas sólo se puede llevar a cabo dentro de un medio gaseoso, en el cual los átomos individuales están separados unos de los otros. Consecuentemente, el primer paso en todos los procedimientos espectroscópicos es la atomización, un proceso en el cual la muestra es volatilizada y descompuesta para producir un gas atómico. Existen distintas formas de atomización. a) Atomización con llama: La finalidad de la llama es convertir la muestra en vapor atómico. El quemador o mechero tiene por objeto colocar al elemento de estudio en un estado en el que se produzca la absorción de luz. El combustible utilizando habitualmente es el acetileno, y se trabaja con llamas de aire – acetileno. Se han empleado dos clases de quemadores: Quemador de flujo turbulento, de consumo total: en este caso el nebulizador y el quemador están combinados en la misma unidad. La muestra es aspirada por un capilar y nebulizada por el efecto del flujo del gas alrededor del extremo del capilar. Quemador de flujo laminar o de premezcla: la muestra es nebulizada por el flujo de oxidante, una vez pasado el extremo del capilar. El aerosol resultante se mezcla con el combustible y pasa a través de una serie de deflectores, que eliminan las gotas que no sean muy finas. Debido a estos deflectores la mayor parte de la muestra se reúne en el fondo de la cámara de mezcla, de donde se envía a un recolector de deshechos. El aerosol, el oxidante y el combustible, se queman en la ranura de un quemador, que produce una llama que generalmente tiene 5 ó 10 cm de longitud. En el quemador tienen lugar dos procesos: nebulización y atomización. Se aspira la muestra, se mezcla con los gases y se produce: 1. Nebulización, que tiene por objeto transformar la solución en un fino aerosol antes de ser introducida en la llama. 2. Atomización: una vez en el interior de la llama, el solvente se evapora y deja en su lugar pequeñas partículas microscópicas que se desintegran bajo la influencia del calor; dando lugar así a la formación de átomos. b) Atomización electrotérmica: El más empleado es el horno de grafito, que aporta mayor Capítulo IV Espectroscopía Atómica 15 | FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS Asignatura: ANALISIS INSTRUMENTAL Carrera: Bromatología y Lic. en Bromatología sensibilidad que la llama y se emplea en la determinación de metales pesados, como el plomo. Utiliza cantidades mínimas de muestra con alta eficiencia. La muestra se inyecta en el interior del tubo de grafito y se le aplica luego una corriente de hasta 300 A. El grafito se calienta a alta temperatura, lo que vaporiza y atomiza la muestra. La luz de la lámpara de cátodo hueco atraviesa el tubo, donde es absorbida. c) Generador de vapor de hidruro: Es un método específico para determinados elementos (Hg, As, Se, etc) que permite mayor sensibilidad. Utiliza reacciones químicas para vaporizar al analito como átomos o moléculas simples. Se hace reaccionar la muestra con hidrógeno naciente para producir el hidruro metálico volátil (por ej. H3As). En el método más aceptado actualmente, se utiliza el borhidruro de sodio como reductor. Esta fase gaseosa es enviada a la celda de absorción, que es calentada por una llama aire-acetileno y el hidruro es atomizado. El problema más crítico de mantenimiento de los espectrofotómetros de absorción atómica es el quemador y su nebulizador asociado. Es esencial trabajar con una llama estable, y se requiere un flujo de gas controlado, para el oxidante y el combustible. La cabeza del quemador debe estar limpia; esto es fundamental para la precisión y exactitud del análisis. El mantenimiento de la cabeza del mechero es esencial, y debe cumplirse escrupulosamente pues, de lo contrario, las constantes obstrucciones que se producen en las ranuras del mechero afectarán a la determinación. 3- Componentes fotométricos Monocromadores: son del tipo de redes de difracción; tienen que ser de alta calidad, pues deben seleccionar un haz de luz de la longitud de onda del estudio, sin perder una cantidad excesiva de luz. Detectores: son del tipo fototubos, de gran sensibilidad para detectar la señal que les llegue. - Fenómenos de interferencia En las técnicas de absorción atómica existen fenómenos de interferencia que tienen gran importancia en las determinaciones; se solucionan empleando distintos métodos, según la naturaleza del fenómeno. e) Interferencia química. Se produce cuando se forman ciertos compuestos que la llama no puede disociar. Para arreglarlo, se añaden soluciones de elementos que desplazan el elemento de interés de esas uniones químicas indeseables por mayor afinidad con el anión. Ejemplo: para la determinación de calcio, se añade una solución de lantano. f) Interferencia por ionización. Se produce cuando los átomos de la llama están ionizados en lugar de estar en estado de reposo; en esta situación, no absorben energía incidente, y hay una aparente disminución de concentración de la sustancia. Se puede corregir añadiendo un exceso de una sustancia fácilmente ionizable, que provea de electrones libres al sistema. El exceso de electrones hace que los átomos pasen del estado ionizado al de reposo, y sean capaces de absorber energía. La interferencia se reduce también disminuyendo la temperatura de la llama de aire-acetileno. g) Interferencia de la matriz. Pueden originarse errores por diferencia en la imposición de estándares y muestras. Estos efectos se disminuyen procurando que las soluciones estándar y los problemas sean lo más parecidos posible en su composición. h) Interferencia de emisión. Se produce cuando una parte apreciable de átomos en la llama se excitan, y decaen luego a su estado fundamental emitiendo energía en su espectro de líneas característico. Esta energía llega al detector, junto con la restante del proceso de absorción en la llama, y hace que aparezca que ha habido menos absorción, apareciendo, por tanto, la concentración de elemento falsamente disminuida. Puede ser eliminada por el uso de un «chopper» o fragmentador del haz de luz que sale de la lámpara. Capítulo IV Espectroscopía Atómica 16 | FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS Asignatura: ANALISIS INSTRUMENTAL Carrera: Bromatología y Lic. en Bromatología ESPECTROSCOPÍA DE EMISIÓN: FOTOMETRÍA DE LLAMA (EEA) Cuando un átomo en su estado fundamental es sometido a la energía calorífica de una llama, sus electrones se excitan pasando a niveles superiores de energía. Los electrones son inestables en ese estado excitado, y al volver a su estado inicial desprenden la energía en forma de luz. La luz desprendida puede poseer distintas longitudes de onda (distintos niveles de energía o líneas del espectro) que son características de cada elemento, de modo que se selecciona para un elemento aquella longitud de onda en la que emite con mayor intensidad y tiene menos probabilidad de que se presenten otras longitudes de onda muy cercanas que puedan interferir. Los metales alcalinos (Li, Na, K) son los más fáciles de excitar en la llama de un mechero ordinario de laboratorio. En la práctica cuando se pone una solución de estos metales en contacto con una llama, cada uno da un color característico y distinto a esa llama: litio = rojo, sodio = amarillo (598,3 nm), potasio = violeta (766,5 nm). Las longitudes de onda que corresponden a estos colores son las empleadas para la determinación de los iones correspondientes. En condiciones constantes y controladas, la intensidad luminosa de la longitud de onda típicamente producida por cada uno de los átomos resulta directamente proporcional al número de átomos que emiten energía, lo cual es a su vez directamente proporcional a la concentración del ion en la muestra. Conviene saber que en una solución de un ion, tan sólo se encuentra excitado en la llama del 1 al 6%, siendo esta proporción la que emitirá energía. A pesar de que este porcentaje de átomos excitados sea tan pequeño, la técnica tiene suficiente sensibilidad para la determinación de los metales alcalinos en la mayoría de las determinaciones bioanalíticas. Instrumental En esta técnica se utiliza el fenómeno de emisión; y si la comparamos con la de absorción, nos encontramos ante un espectrofotómetro en el cual la fuente de luz se ha sustituido por la llama, donde los elementos excitados generan su radiación característica. El fotómetro de llama consta de: 1Gases. 2Aspirador y atomizador de la muestra. 3Componentes fotométricos. 1- Gases Suelen emplearse gas natural, acetileno, o propano con aire u oxígeno. Todos ellos funcionan bien, y difieren en la temperatura de la llama de cada uno de ellos, que incide en la sensibilidad que cada combinación proporciona. La elección de la llama (gases) depende de la temperatura que se desee. Para determinaciones de sodio y potasio es suficiente el propano-aire. Es esencial que la temperatura de la llama se mantenga constante, para lo cual se precisan reguladores que mantengan un flujo constante de gas. 2- Atomizador y llama Tiene como función disgregar la solución problema en pequeñas gotas, para que los átomos absorban la energía térmica de la llama y se exciten. La solución suele entrar a gran velocidad y choca con las paredes de una cámara, disgregándose en finas gotas. La variable más importante de la llama es su temperatura. En los fotómetros de llama se requiere una constante estandarización, ya que los cambios térmicos afectan a la respuesta del instrumento. Por ello, es práctica común la existencia de un período de calentamiento, y la aspiración de agua y soluciones estándar antes de las mediciones, hasta que se establece el equilibrio térmico en la llama y en la cámara de atomización. Además, se introducen comprobaciones con estándares de valor conocido entre las determinaciones. 3- Componentes fotométricos Las rendijas, monocromadores y detectores tienen la misma función que en la espectrofotometría de absorción. Capítulo IV Espectroscopía Atómica 17 | FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS Asignatura: ANALISIS INSTRUMENTAL Carrera: Bromatología y Lic. en Bromatología Los monocromadores deben ser de alta calidad, para seleccionar adecuadamente la longitud de onda de interés y hacerla pasar al detector. Deben tener un paso de banda lo suficientemente estrecho como para seleccionar la longitud de onda de interés con suficiente intensidad, evitando a su vez la interferencia de todas las emisiones producidas en la llama por elementos no iónicos. Los fotómetros de llama pueden ser de dos tipos: Directos. Se emplea la intensidad de luz emitida como medida de la concentración. Con estándar interno. La intensidad de la emisión del elemento a determinar se compara con la de un elemento agregado como estándar interno. Se puede emplear como estándar interno litio o cesio. El litio se emplea para determinaciones de sodio y potasio, y el cesio para la determinación de litio, sodio y potasio. Aparte de las consideraciones ya hechas, y basándonos en ellas, conviene hacer hincapié en que la fotometría de llama está enormemente sujeta a todos aquellos factores que dependen de la correcta entrada de la muestra en la llama (aspiración y atomización), y del mantenimiento de una llama de características constantes. Por ello, se impone una vigilancia estrecha de todos los componentes del instrumento que participan en esta primera fase: - Mantener limpio y libre de obstrucciones el mecanismo de aspiración. - Mantener limpia la cámara de atomización. - Vigilar los gases y su presión constante de salida. - Mantener el quemador limpio para conseguir una llama homogénea. Los fallos iniciales en la precisión y exactitud en las medidas están causados, muy probablemente por un deficiente mantenimiento de estos componentes. Los componentes espectrofotométricos requieren igual consideración que los pertenecientes a los espectrofotómetros de absorción. En la siguiente figura se compara un esquema de espectrofotómetro de emisión de llama (a) y de absorción atómica (b). Capítulo IV Espectroscopía Atómica 18 | FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS Asignatura: ANALISIS INSTRUMENTAL Carrera: Bromatología y Lic. en Bromatología Experiencias a realizar a- ABSORCIÓN ATÓMICA Determinación de Zn Objetivo: Cuantificar las trazas de Zn en conserva de tomate y agua de la canilla. Fundamento: Los productos alimenticios frescos poseen microorganismos que alteran sus estructuras. En los envases herméticos se destruyen por calor los microorganismos impidiéndose la reinfección, sin embargo, algunos compuestos quedan activos después del tratamiento. Procedimiento: Tomate : Se debe someter la muestra, previo a su análisis, a una digestión seca. Se pesa 5 gr. De muestra perfectamente homogenizada. Se seca, se calcina en mechero y se lleva a mufla a 500-550ºC, hasta desaparición del carbón. Se disuelven las cenizas con 2 mL de HCl (1:1), se vuelve a llevar a sequedad y nuevamente se le agrega ácido, se calienta y se retoma en matraz de 50 mL lavando bien el crisol. Se enfría y enrasa. Se realizan las lecturas en el espectrofotómetro de absorción atómica haciendo diluciones si fuera necesario para entrar en el rango de la curva de calibración. Para hacer la gráfica de calibración utilizar estándares (soluciones de trabajo) preparados a partir de una solución madre de 1 g/L. El resultado se expresa en ppm (mg de Zn por Kg de muestra). Agua: No es necesario hacer tratamiento previo de la muestra. Se la atomiza, llega a la llama, se disocia en átomos y al pasar la radiación de resonancia del Zn medimos la cantidad de luz absorbida y calculamos su concentración. b- EMISIÓN ATÓMICA: FOTOMETRÍA DE LLAMA 1- Determinación de Sodio Fundamento: Las soluciones de sales de sodio atomizadas y sometidas a la acción de la llama emiten luz de 590 milimicrones, cuya intensidad depende de la concentración. Si el aparato trabaja con filtro coloreado, es conveniente eliminar el Ca. Es recomendable efectuar las diluciones necesarias para entrar dentro de la escala del aparato a utilizar, siendo las mismas vecinas a 1 meq/L de Na+ ó 25 mg/L. Reactivos: Solución patrón A de NaCl 0,1 N (100 meq/L). Disolver 0,5850 g de la droga grado analítico desecada a 130º C, llevar a volumen en matraz de 100 mL. Solución patrón de 25 meq/L: Tomar 25 ml de la solución patrón A y llevar a 100 mL. Solución patrón de 50 meq/L: Tomar 50 ml de la solución patrón A y llevar a 100 mL. Técnica: Calibrar el fotómetro de llama. Medir la intensidad de emisión de la muestra problema. (De ser necesario, realizar una dilución adecuada de la muestra). Resultado: Expresar la concentración de Na+ en meq/L y en mg/L. Ejemplo: Si se midió 10 mL de la muestra (dilución 1:10) - La lectura dio 1,15 meq/L. - Para expresarlo en mg/l: + Na en meq/L ------ 1,15 x 10 1 meq-g de Na ----- 23 mg Na+ en meq/L ------ 11,5 meq/L Na+ en mg/L ------ 11,5 x 23 = 264,5 mg/L Capítulo IV Espectroscopía Atómica 19 | FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS Asignatura: ANALISIS INSTRUMENTAL Carrera: Bromatología y Lic. en Bromatología 2- Determinación de Potasio Fundamento: Las disoluciones de sales potásicas al ser pulverizadas y sometidas a la acción de la llama, se disocian liberándose los respectivos átomos, los cuáles en parte son excitados y emiten radiación de determinada longitud de onda, en este caso de 767 m. Cuando las soluciones son suficientemente diluidas, la intensidad de la emisión es función de la concentración y puede medirse con un galvanómetro. En el caso de las aguas de Mendoza, la lectura es directa (no es necesario realizar diluciones) ya que este elemento se encuentra en bajas concentraciones. Reactivos: - Solución patrón A de KCl 800 ppm. Disolver 1,5260 g de la droga grado analítico desecada a 130º C, llevar a volumen en matraz de 1.000 mL. - Solución patrón de 80 ppm: Tomar 10 mL de la solución patrón A y llevar a 100 mL. - Solución patrón de 40 ppm: Tomar 5 mL de la solución patrón A y llevar a 100 mL. Técnica: - Calibrar el fotómetro de llama. - Medir la intensidad de emisión de la muestra problema. Resultado: Expresar la concentración de K+ en meq/L y en mg/L. Capítulo IV Espectroscopía Atómica 20 | FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS Asignatura: ANALISIS INSTRUMENTAL Carrera: Bromatología y Lic. en Bromatología EJERCITACIÓN MÉTODOS DE CALIBRACIÓN Para recordar Calibrar: es determinar la relación entre la concentración del analito y la respuesta del instrumento. Estándares Externo Se analizan distintas concentraciones de un estándar en forma separada de la muestra. Adición Estándar Métodos de calibración Estándares Interno Estándar Interno Método de la adición estándar: Cantidades fijas de estándar añadidas a la muestra, midiendo la respuesta después de cada adición. (*) Se adiciona a cantidades crecientes de analito (Cx) un estándar interno (Cs) en cantidades iguales, con propiedades químicas y electrónicas similares al metal analizado. Luego se obtienen las respuestas del analito buscado y del estándar interno, se hace un cociente entre las respuestas Ix / Is y luego se grafica. I x = K . Cx I T = K . ( Cs + Cx) Cx = C s I x Vs (I T - I x ) Vx Referencias: I x =Intensidad emitida por la muestra. I T = Intensidad emitida Total Cx = concentración de la muestra. Cs = concentración del estándar. Vs = volúmen del estándar. Vx = volúmen de la muestra Método del estándar interno: Relación de respuestas: Ix Is Capítulo IV Espectroscopía Atómica 21 | FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS Asignatura: ANALISIS INSTRUMENTAL Carrera: Bromatología y Lic. en Bromatología RESOLVER: 1- EL contenido en sodio de un suero de leche dio una señal de 42,7 unidades de intensidad en un análisis por emisión atómica. A continuación se añadieron 5 ml de NaCl 2,08 M a 95 mL de suero de leche. Este suero enriquecido dio una señal de 79,8 unidades de intensidad. Hallar la concentración original de sodio en el suero. R: 0,125 M 2-Se determinó un compuesto Na en una muestra por fotometría de llama, se empleó el método del estándar interno, agregando cantidades crecientes del analito Na y cantidades iguales del estándar Li , los resultados obtenidos se muestran en la siguiente tabla : Volúmen de muestra 10 mL 10 mL 10 mL 10 mL 10 mL Cantidades crecientes de Na 0 ppm 1 ppm 2 ppm 4 ppm 6 ppm Cantidad constante de patrón interno Li 2 ppm 2 ppm 2 ppm 2 ppm 2 ppm Intensidad de Na 28,7 8,1 12,9 19,1 30,9 Intensidad de Li 8,1 8,1 8,5 7,6 8,1 Ix /Is Calcular la concentración de Cx de la muestra cuyas respuestas fueron 28,7 para Cx y de 8,1 para C. Utilizando el método gráfico. R= 5,5 ppm 3-Al utilizar el método del estándar externo para una determinación de Mg, se han obtenido los siguientes datos: microgramo de Mg / mL Emisión Relativa blanco 0 10 0,298 20 0,469 30 0,652 Problema 0,510 Calcular la concentración de Mg de la muestra en g de Mg / mL : a) Utilizando la curva de calibración. R= 22 g/mL de Mg 4-Se toman de la disolución original 3 (tres) alícuotas de 10 mL. A la primera alícuota no se le añade nada, a la segunda se añade 10 L y a la tercera 20 L de la solución de Cloruro de cobre estándar de 300 ppm. Lo enunciado se resume en la siguiente tabla: Alícuota de 10 mL 1 2 3 Volumen de 3 00 ppm Respuesta Instrumento +2 Cu añadido (L) 0 0,45 10 0,74 20 0,98 Concentración +2 Cu ( ppm) final de a) Expresar las concentraciones finales de cobre añadido en ppm en la alícuota 2 y 3. b) Realizar la gráfica correspondiente sabiendo que la respuesta del instrumento fue de 0,45; 0,74 y 0,98 respectivamente. c) Obtener el contenido de Cobre en la muestra, expresado en ppm (p/v). R= 0,5 ppm Cu+2 Capítulo IV Espectroscopía Atómica 22 | FACULTAD DE CIENCIAS AGRARIAS Asignatura: ANALISIS INSTRUMENTAL Carrera: Bromatología y Lic. en Bromatología 5-En la determinación de Pb en una harina de pescado contaminada se pesa 5 g de muestra. Se aplicó digestión con ácidos y se llevó a sequedad. Luego se diluyó hasta10 ml y se midió la absorbancia obteniendo un valor de 0,012. En la tabla siguiente se presentan los datos de la curva de calibración realizada. Pb µg/L Abs 0,011 0,001 0,025 0,005 0,042 0,009 0,084 0,02 a) Determine la concentración de plomo mediante una grafica y exprese el resultado obtenido en µg/L de Pb. b) Calcule la concentración de Pb en la muestra en g Pb/kg de harina y en g Pb % g de harina. R: a) 0,05 µg/L de Pb. b) 1x 10-7 g Pb/kg de harina; 1x 10-8 g% g de harina Capítulo IV Espectroscopía Atómica 23 |
