FONOAMINTOS DEl ANÁLISIS POR ABSORCION ATOMICA

FONOAMINTOS DEl ANÁLISIS
intensidad
POR ABSORCION ATOMICA
Long. de Onda (nm)
Espectro atómico del níquel alrededor de 232.0 nm
Ing. Raúl T. Jacinto Herrera
Lima - Perú
PRIMERA EDICIÓN - 2003
TODOS LOS DERECHOS RESERVADOS
Para Nery, Raulito, Fatimah y Renzo
Quienes siempre me esperan con alegría
Para mi madre y mis abuelos,
Forjadores de mi vida
IN TROD U CCIÓ N
El presente texto tiene como objeto fomentar la comprensión de las
técnicas de absorción atómica, ampliamente usadas en la industria en general.
Se estima que el conocimiento de los fundamentos de la espectrometría de
absorción atómica (A A S) brindará la oportunidad de mejorar la calidad del
trabajo analítico mediante el conocimiento de cada parámetro de operación
del equipo y la influencia de estos sobre la exactitud de los resultados.
Luego de un recuento histórico breve, se estudian los principios básicos
tales como la definición de espectrometría de absorción atómica, la absorción
de la luz, su relación con la concentración de un elemento y la formación de
los espectros atómicos. El estudio de fuentes de radiación, tanto continuas
como lineales, es asimismo explicada a nivel de dispositivos tales como
lámparas de deuterio y de cátodo hueco.
Se describe también
la atomización
por flama, el sistema
nebulizador-quemador, la descomposición de compuestos, la posición del
quemador, la absorción del background y la influencia de la ionización. En la
atomización por horno se aprecia el fundamento de operación, el equipo
atomizador y los procesos de secado y calcinado. En la generación de vapor se
estudia tanto la generación de hidruros como la técnica de vapor frío.
El estudio de los monocromadores se complementa con el de los
sistemas ópticos, la corrección del background mediante estos sistemas y el
estudio de los lentes y espejos. La detección de la radiación se revisa en base al
fotomultiplicador y sus características. Los sistemas de lectura son también
enfocados, como medio para obtener la cuantificación de valores analíticos.
En el análisis cuantitativo se estudian los parámetros de rendimiento
analítico en AAS. Asimismo, se revisa el análisis práctico mediante flama, horno
y generación de vapor. También se expone una introducción a la aplicación de
la computación a la AAS. Posteriormente, se estudia la optimización de
instrumentos y métodos.
Finalmente, acorde con la tendencia actual en la industria, se revisan
tópicos acerca de seguridad en el laboratorio de AAS, reconociendo el
potencial de peligro de esta técnica analítica y el valor de los recurso humanos
y materiales involucrados en su ejecución.
Cabe destacar que este libro es una recopilación de cierta literatura
sobre absorción atómica (la mayor parte en idioma inglés), traducida,
organizada y con ciertas observaciones prácticas. En ningún caso,es pretensión
del suscrito ser el creador de esta obra, sino tan sólo un compilador de
información que considera útil para el personal técnico calificado de nuestro
país, donde es escasa la literatura en castellano sobre esta materia.
E
l
A
utor
F undamentos
del
A
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A
b s o r c ió n
A
t ó m ic a
ÍN D IC E
In tro d u c c ió n ......................................................................................................
03
C a p ítu lo I
1.
Desarrollo H istó rico ........................................................................................ 07
C a p ítu lo II
2.
Principios Básicos..............................................................................................08
2 .1
Espectrometría de Absorción A tó m ic a .............................................. 08
2.2
Bases T e ó ric a s..................................................................................... I I
2.2.1 La Absorción de la Luz y el Espectro A tó m ic o ................................. I I
2.2.2 Relación Absorción de Luz-Concentración del A n a lito .................... 12
C a p ítu lo III
3.
Fuentes de Radiación....................................................................................... 14
3.1
Fuentes C o ntinuas............................................................................... 14
3.1.1
Lámpara de D e u te rio .............................................................. 15
3.2
Fuentes Lineales................................................................................... 16
3.2.1
Lámparas de Cátodo Hueco ( H C L ) ....................................... 18
3.2.2 Lámparas Multi-Elemento....................................................... 22
3.2.3 Lámparas de Descarga sin Electrodo ( E D L ) ...........................22
C ap ítu lo IV
4.
Atomización por Flama (F A A S ) ................................................................... 24
4.1
Tipos de Flam a..................................................................................... 25
4.2
El Sistema Nebulizador-Quemador............;....................................... 27
4.3
Nebulización.........................................................................................29
4.4
Descomposición de Com puestos....................................................... 3 I
4.5
Posición del Q u em ad o r....................................................................... 34
4.6
Absorción del Background...................................................................36
4.7
Ionización............................................................................................. 38
C a p ítu lo V
5.
Atomización por Horno (G F A A S ) ..................................................................41
5.1
Principio de O p eració n ........................................................................ 41
5.2
Atomizadores de Tubo de G ra fito ...................................................... 42
5.3
Secado y Calcinado.............................................................................. 43
C ap ítu lo V I
6.
Generación de Vapor (H G A A S ) ..................................................................... 45
6.1
Generación de H id ru ro s...................................................................... 45
6.2
Técnica de Vapor F r ío ..........................................................................48
-
•
4
-
F undamentos
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C a p ítu lo V II
7.
M onocrom adores............................................................................................5 I
C a p ítu lo V III
8.
Sistemas Ó p tico s ..............................................................................................55
8.1
Sistemas O p tic o s .................................................................................55
8.2
Corrección del Background................................................................ 57
8.2.1
Corrección con Lámpara de D e u te rio ...................................57
8.2.2 Corrección con Efecto Z e e m a n ............................................. 59
8.2.3 Corrección con Corriente Pulsante A lt a ............................... 59
8.3
8.4
Lentes...................................................................................................59
Espejos................................................................................................. 60
C a p ítu lo I X
9.
Detección de la Radiación............................................................................... 62
9.1
El Fotomultiplicador............................................................................ 62
9.2
Características del Fotomultiplicador................................................64
C a p ítu lo X
10.
Sistemas de Lectu ra......................................................................................... 66
C a p ítu lo X I
I I.
Análisis Cuantitativo........................................................................................ 68
I l.l
Parámetros del Rendimiento Analítico en A A S ................................68
I l.l.l Concentración C aracterística.................................................68
I 1.1.2 Rango de T rab ajo .................................................................... 69
I 1.1.3 Exactitud y Precisión.............................................................. 71
11.2
Análisis Cuantitativo I: Atomización por Flam a.................................75
I 1.2.1 Estándares.................................................................................75
I 1.2.2 Adiciones de Estándar............................................................77
I 1.2.3 Situaciones Analíticas Sim ples.................................................78
11.2.4 Muestras Com plejas................................................................ 79
I 1.2.5 Determinación de T razas....................................................... 79
11.3
Análisis Cuantitativo II: Atomización por H o r n o ............................. 80
1.4
1.5
1.6
1.7
I 1.3.1 Interferencias Físicas............................................................... 80
I 1.3.2 Absorción por Background.................................................... 81
I 1.3.3 Interferencias Q uím icas.........................................................82
11.3.4 Modificación Q u ím ica............................................................. 83
11.3.5 Estándares................................................................................83
I 1.3.6 M uestras.................................................................................. 84
Análisis Cuantitativo II!: Generación de V a p o r.................................84
Micromuestreo por Flam a...................................................................86
Automatización................................................................................... 86
Aplicación de las Computadoras al A A S ............................................ 87
I 1.8
Software para A A S .............................................................................. 88
I
I
I
I
C a p ítu lo X I I
I 2.
Optimización de Instrumentos y M éto d o s.................................................... 94
12.1
Reconocimiento de Errores y Optimización del Instrum ento..........94
12.l.l
Sensitividad Demasiado B a ja .................................................. 95
-
5
-
F undamentos
del
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b s o r c ió n
A
t ó m ic a
12.1.2 Sensitividad Demasiado A lt a .................................................. 96
C ap ítu lo X I I I
13.
Seguridad......................................................................................................... 98
I 3 .1 Sistema de Extracción..........................................................................98
13.2
Cilindros de Gases Comprimidos (Acetileno, A rg ó n )....................... 99
13.3
Tuberías Flexibles de Gas y C o nexio nes............................................ 99
13.4
A cetileno.............................................................................................. 99
13.5
Óxido N itro s o .................................................................................. 100
13.6
Solventes Inflamables......................................................................... 100
13.7
Quem adores...................................................................................... 100
13.8
Trampa de Líquidos........................................................................... 101
13.9
Radiación Ultravioleta........................................................................ 101
13.10 Peligros del C a lo r ............................................................................... 101
13.11 Inspección de Seguridad..................................................................... 101
C apítulo X I V
14.
A n e x o s ...........................................................................................................
14 .1 Modos de Medición en A A S ..............................................................
14.2
Modos de Calibración en A A S ..........................................................
14.3
Tipos de Medición en A A S ................................................................
103
103
103
103
B ib lio g ra fía ........................................................................................................ 105
-
6
-
F u ndam entos
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A t ó m ic a
C A PÍTU LO I
DESARROLLO HISTÓRICO
I.
D
esa rro llo
H
is t ó r ic o
♦
La historia de la espectrometría atómica se inicia con el uso de los lentes
por Aristófanes alrededor del 423 A .C . y los estudios de espejos por
Euclides (300 A.C.) y Hero (100 A.C .). Séneca (40 D.C.) observó las
propiedades de difusión de la luz de los prismas, y en el año 100 D.C.
Ptolemeo estudió la incidencia y refracción.
♦ Alhazen en 1038 estudió la reflexión y refracción de la luz, y en 1250
Roger Bacon determinó los puntos focales de espejos cóncavos. Alrededor
de 1600, se desarrolló el telescopio en Holanda y en 1610 Galileo hizo
mejoras en el diseño del telescopio. Sir Isaac Newton (1642-1727) realizó
muchos experimentos sobre la separación de la luz para obtener un
espectro y los índices de refracción de diferentes colores de luz; Newton
aplicó estos principios al telescopio.
♦ Fraunhofer, en 1815, observó el fenomeno de difracción y pudo medir la
longitud de onda en vez de ángulos de refracción. Herschel (1823) y Talbot
(1825) descubrieron la emisión atómica cuando colocaron ciertos átomos
en una flama. Wheatstone concluyó en 1835 que podían distinguirse los
metales entre sí sobre la base de la longitud de onda de esta emisión. En
1848, Foucault observó la emisión atómica del sodio y descubrió que este
elemento absorbía los mismos rayos de un arco eléctrico.
♦ A finales de 1800, científicos tales como Kirchoff, Bunsen, Angstróm,
Rowland, Michelson y Balmer estudiaron la composición del sol basada en
sus emisiones a diferentes longitudes de onda. Kirchoff estableció la ley "Lo
materia absorbe luz a la misma longitud de onda a la que la emite", en la cual
se fundamente la espectrometría de absorción atómica. W oodson fue uno
de los primeros en aplicar este principio a la detección del mercurio.
♦
La técnica de absorción atómica, tal como en la actualidad es conocida, fue
desarrollada por Sir Alan W alsh a mediados de la decada de 1950 sobre la
base del estudio del análisis espectroquímico de metales y la
espectroscopia molecular. Esta técnica se ha convertido en el método
preferido de análisis elemental.
♦ W alsh descubrió que la mayoría de los átomos libres en las flamas
comúnmente usadas se encontraban en el estado basal, pero que las flamas
no tenían la suficiente energía para excitar a a estos átomos (excepto para
los elementos del grupo I). Una fuente de luz que emite una línea espectral
angosta de la energía característica es usada para excitar a los átomos
libres formados en la flama. Entonces se mide el decrecimiento en energía
(absorción).
—
F undamentos
del
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t ó m ic a
C A P Í T U L O II
PRIN CIPIOS B Á S IC O S
2.
P
r in c ip io s
2 .1
B
á s ic o s
E s p e c t r o m e t r ía de A b s o r c ió n A t ó m ic a
La técnica analítica cuantitativa denominada
absorción atómica (A A S) se basa en estos tres principios:
espectrometría
de
i.
Todos los átomos pueden absorber luz.
ii.
La longitud de onda a la cual la luz es absorbida es específica para un
elemento químico en particular.
iii. La cantidad de luz absorbida es proporcional a la concentración de los
átomos absorbentes.
Notas:
1. De acuerdo con el segundo principio, si una muestra que contiene fierro junto con otros elementos tales
como cadmio y plata es expuesta a una luz que corresponda a la longitud de onda característica para el
fierro, solo los átomos de fierro absorberán esta luz.
2. Los siguientes elementos (figura 01) son detectables por la técnica de absorción atómica.
TABLA PERIÓDICA
He
Be
B
C
N
0
p
Na Mg
Al
Si
P
'o
Cl
Ar
Cu Zn Ga Ge As Se
Br
Kr
I
A6
Li
K.
Ca Se
Rb Si
Y
Cr Mn Fe Co
V
Zr
Nb Mo Te Ru fih Pd Ag Cd
Cs Ba La Hf Ta W
Ff
r]
Ni
Ti
Fie Os
It
In
Pt Au Hg TI
Sn Sb Te
Pb
Bi
Po Al Fin
Ac Rf Db Sn Bh H s Mi
Ce
Pr Nd Pr.' Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Trn Yb Lu
Th Píe
U
Np Hu Arn Crn Bk
a
Es Fm M d No Lv-.i
Figura 01. Elementos detectables mediante AAS
en la tabla periódica (sombreados)
Figura OI. Elementos detectables mediante A A S en la tabla periódica.
F undam entos
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Un espectrómetro de absorción atómica (figura 02) es un instrumento
en el cual estos principios se aplican al análisis cuantitativo práctico; este
consiste en:
♦ Una fuente de luz para generar luz a la longitud de onda característica del
♦
elemento a analizar.
Un atomizador para crear una población de átomos a analizar
♦
Un monocromador para filtrar luz a la longitud de onda característica.
♦
Un sistema óptico para dirigir a la luz desde la fuente a través de la
población de átomos y hacia el monocromador.
♦
Un dispositivo sensitivo a la luz.
♦
Dispositivos electrónicos adecuados que midan la respuesta del detector y
traduzcan esta respuesta en mediciones analíticas útiles.
Figura 02. Esquema típico de un espectrómetro de absorción atómica
Rangos de Longitudes de Onda en A A S
El rango de longitud de onda útil para un espectrómetro de absorción
atómica depende de la fuente de radiación, los componentes del sistema óptico
y el detector. En la operación práctica este rango varía usualmente desde 852.1
nm, la longitud de onda más sensitiva para el Cesio; hasta 193.7 nm, la longitud
de onda más ampliamente usada del Arsénico al comienzo del vacío
ultravioleta.
Análisis Cuantitativo por AAS
La técnica de espectrometría de absorción atómica por flama (F A AS)
requiere que una muestra líquida sea aspirada, aerosolizada, y mezclada con
gases combustibles, tales como acetileno y aire o acetileno y óxido nitroso. La
mezcla es ignicionada en una flama cuya temperatura oscila desde 2100 a
2800°C. Durante la combustión, los átomos del elemento de interés en la
muestra son reducidos a átomos en el estado basal libre y no excitados, los
cuales absorben luz a longitudes de onda características. Las longitudes de
- 9
-
F u ndam entos
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onda características son específicas para cada elemento y precisas hasta
0.01-0.1 nm. Para proporcionar longitudes de onda específicas al elemento, se
pasa a través de la flama un rayo de luz desde una lámpara cuyo cátodo es
hecho del elemento que se está determinando. Un dispositivo tal como un
fotomultiplicador puede detectar la cantidad de reducción de la intensidad de
luz debida a la absorción por el analito, y esto puede ser directamente
relacionado a la cantidad del elemento en la muestra. La siguiente tabla
muestra en forma esquemática las etapas de procedimiento analítico básico en
AAS.
Tabla I. Procedimiento Analítico Básico de la AAS
Descripción
Etapa
1
Conversión de la muestra en solución
2
Preparación de una solución que no contenga el elemento a analizar (blanco analítico)
3
Preparación de estándares (una serie de soluciones de calibración que contengan cantidades
exactamente conocidas del elemento a analizar)
4
Atomización del blanco y los estándares a su vez y medir la respuesta para cada solución
5
Plotear un gráfico de calibración
que muestre la respuesta obtenida
para cada solución
(figura 04).
6
Atomización de la solución de muestra y medición de la respuesta
7
Referencia al gráfico de calibración, ingreso al gráfico en el punto correspondiente a la
respuesta para la muestra, y lectura de la concentración de la muestra.
Figura 03. Gráfico de calibración
Figura 03. Gráfico de Calibración
-
10
-
F undam entos
del
A
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b s o r c ió n
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t ó m ic a
2.2
B ase s T e ó r ic a s
2 .2 .1
L a A b s o r c i ó n de l a L u z y
el E sp e ctro A tó m ic o
Se conoce que todos los átomos pueden absorber luz a ciertas
longitudes de ondas discretas, correspondientes a los requerimientos
de energía de un átomo en particular. Los átomos de sodio, por
ejemplo, absorben luz muy fuertemente a 589.0 nm, debido a que la luz
a esta longitud de onda tiene exactamente la energía justa para
transformar al átomo de sodio a otro estado electrónico. Esta
transición electrónica es completamente específica para el sodio: los
átomos de cualquier otro elemento son diferentes y no pueden
absorber luz a esta longitud de onda.
Si el átomo de sodio está en el “ estado basal” , decimos que
cuando un átomo de sodio absorbe luz se transforma a un estado
excitado; es todavía un átomo de sodio, pero contiene más energía.
Existen varios posibles estados excitados para el átomo de sodio y cada
uno tiene una energía particular. Usualmente esta energía es medida
con relación al estado basal, y un estado excitado particular para el
sodio puede ser 2.2eV (electrón voltios) sobre el estado basal. Esto
significa que un átomo en el estado excitado contiene 2.2 eV más
energía que un átomo en el estado basal el cual, por convención, tiene
adscrito una energía arbitraria de cero. Algunos de los posibles estados
de energía para el átomo de sodio se muestran en la figura 04.
6
4P
3P
2.2 eV
330.3 nm
589.0 nm
0
3S
3.6 eV
estado basal
0.0 eV
Figura 04. Algunos posibles estados de energía para el átomo de sodio
Figura 04. Algunos posibles estados de energía para el átomo de sodio.
Cada transición entre diferentes estados de energía electrónicos
se caracteriza por tener una energía diferente, y por lo mismo una
diferente longitud de onda de luz. Estas longitudes de onda están
definidas en forma aguda y cuando se examina un rango de longitudes
11
■
i-
F undamentos
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A t ó m ic a
de onda, cada longitud de onda muestra una energía aguda máxima (una
'línea' espectroscópica). Los espectros atómicos se distinguen por estas
líneas características, que pueden ser contrastadas con la banda
espectral más amplia asociada con las moléculas. Las líneas que se
originan del átomo en estado basal son a menudo de interés en
espectrometría de absorción atómica y se denominan líneas de
resonancia.
El
espectro
atómico
característico
de cada elemento
comprende cierto número de líneas discretas, algunas de las cuales son
líneas de resonancia. La mayoría de las otras líneas se desprenden de
los estados excitados, más que del estado basal. Desde que las líneas de
resonancia son mucho más sensitivas y desde que la mayoría de los '
átomos en un atomizador práctico se encuentran en el estado basal,
estas líneas de estado excitado no son generalmente útiles para el
análisis por absorción atómica.
2 .2.2
R e l a c ió n
A b s o r c ió n d e L u z - C o n c e n t r a c ió n d e l A n a l it o
La relación entre la absorción de luz y la concentración del
elemento a analizar se define por medio de las leyes fundamentales de
la absorción de la luz:
Ley de Lam berf "La porción de la luz absorbida por un medio transparente
es independiente de la intensidad de la luz incidente y cada unidad sucesiva
de espesor del medio absorbe una fracción igual de la luz que pasa a través
de él”.
Ley de Beer: “ La absorción de luz es proporcional al número de átomos
absorbentes en la muestra”.
La ley combinada Beer-Lambert puede expresarse así:
ó
lo g io I0 / It - abe = Absorbancia
(I)
donde:
l0 : potencia de radiación incidente
Ir : potencia de radiación transmitida
a : coeficiente de absorción (absorbancia)
b : longitud del paso de absorción
c : concentración de los átomos absorbentes
esto es, la absorbancia es proporcional a la concentración del elemento
para un paso de absorción dado y una longitud de onda dada.
Si una muestra de concentración c tiene cierta absorbancia
medida, otra muestra de concentración 2c, de acuerdo con la ley de
Beer-Lambert, tendrá dos veces esta absorbancia. La ‘absorbancia’ es
F undamentos
del
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una medida de la cantidad de luz absorbida por los átomos bajo ciertas
condiciones dadas, y esta es la medición de interés; la ley de
Beer-Lambert nos permite relacionar la absorbancia medida a la
concentración de elemento a analizar en la muestra.
En principio, podría ser posible calcular la concentración
directamente de la ecuación ( I). Sin embargo, en la práctica las
cantidades a y b en la ecuación ( I ) son constantes y normalmente no
son determinadas. La manera más simple de usar los métodos de
absorción atómica es medir la absorbancia para soluciones estándar
donde la concentración es conocida y luego comparar esta curva con la
absorbancia obtenida por la muestra desconocida. Desde que la
absorbancia medida depende directamente de la concentración del '
elemento a analizar, este procedimiento proporciona un método simple
y preciso para determinar la concentración desconocida mientras que
compensa los efectos instrumentales que hacen el cálculo teórico muy
incierto.
Convencionalmente,
puede
hacerse
la
calibración
y
comparación con estándares en forma gráfica. Se prepara un gráfico de
calibración para cada situación relacionando ia concentración del
elemento a analizar con la absorbancia medida. Bajo la ley de
Beer-Lambert, este gráfico será lineal y la concentración de muestras
desconocidas puede ser determinada por interpolación en el gráfico
(figura 03).
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F undamentos
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C A P Í T U L O III
F U E N T E S DE R A D IA C IÓ N
3.
F
uen tes
3.1
de
R a d ia c ió n
F u e n t e s C o n t in u a s
En una fuente continua la radiación esta distribuida en forma continua
sobre un amplio rango de longitudes de onda. En AAS, las fuentes continuas se
usan principalmente para medición y corrección secuencial o cuasi simultánea
del efecto de background. Para este propósito se usan mayormente las
lámparas de deuterio o las halógenas.
Las fuentes continuas, en principio, también pueden ser usadas para
medir la absorción atómica. Sin embargo, ellas requieren un aparato espectral
con alta resolución, tal como el policromador Echelle, para retener la
especificidad de la A A S que normalmente es proporcionada por las fuentes
lineales. El uso de fuentes continuas sólo es practicable para determinaciones
simultáneas multi-elementos.
Figura 05. Características espectrales
de una fuente continua
Figura 05. Características espectrales de una fuente continua
-
■
i-
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F undamentos
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b s o r c ió n
A t ó m ic a
Notas:
i. La lámpara de deuterio es una lámpara espectral con deuterio como gas de descarga en un bulbo de cuarzo.
Para algunas aplicaciones también se ha usado hidrógeno como el gas de descarga. La lámpara de deuterio
emite una potencia radiante lo suficientemente alta en el corto rango de longitudes de onda desde cerca de
190 nm hasta 330 nm.
ii. Una lámpara halógena consiste en una banda o espiral calentada eléctricamente, usualmente de tungsteno, en
un bulbo de cuarzo o vidrio. El oscurecimiento del bulbo por depósitos metálicos es prevenido por aditivos
gaseosos halogenados. La lámpara halógena emite potencia radiante suficientemente alta en el rango espectral
desde 300 nm y se extiende lejos en el infrarrojo. Sus características espectrales se muestran en la figura 05.
Como puede observarse, ambas lámparas complementan sus respectivos rangos de trabajo.
3.1.1
L á m pa r a d e D eu t e r io
Una fuente continua de luz encuentra aplicación en AAS, no
para medir la absorción atómica, sino para medir y corregir los efectos
de ‘background’ causado por especies moleculares o por difusión. Esta
es llamada corrección por background. La fuente comúnmente usada en
una lámpara de descarga llena con deuterio (o hidrógeno) que emite un
espectro continuo intenso desde debajo de 190 nm hasta cerca de 425
nm (ver figura 06), Esto cubre la región donde ocurren la mayoría de
líneas de absorción atómica y donde los efectos de la absorción por
background son más pronunciados. Se usa un gas poliatómico (H 2 o D 2)
debido a que produce un espectro continuo en vez de uno lineal.
long. de onda (nm)
Figura 06. Características espectrales de la lampara de deuterio
Figura 06. Características espectrales de una lámpara de deuterio
La lámpara de deuterio es diferente de una lámpara de cátodo
hueco en construcción y operación. Esta lámpara incorpora un cátodo
emisor de electrones, un ánodo de metal y una abertura restrictiva
entre los dos (figura 07). Una corriente de descarga de varios cientos
de miliamperios excita al gas deuterio. La descarga es forzada a pasar a
-
15
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F undamentos
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través de la pequeña abertura, formando un área definida de alta
excitación y por lo mismo de alta emisión de luz. Un vidrio de cuarzo
transmite la luz al sistema óptico del espectrómetro.
La corriente de operación para la lámpara de deuterio es
usualmente controlada en forma automática por el espectrómetro; en
la operación práctica sólo debe encenderse el sistema corrector por
background y asegurar el correcto alineamiento de la lámpara.
Figura 07. Lámpara de deuterio
3.2
F u e n t e s L in e a l e s
Las fuentes lineales son fuentes de radiación espectral en las cuales el
elemento analito es volatilizado y excitado de modo que emita su espectro a
una longitud de onda discreta. Esta excitación puede ser causada por una
descarga eléctrica de baja presión, por micro o radio ondas o por energía
térmica.
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F undam entos
del
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b s o r c ió n
A t ó m ic a
Las lámparas amarillas de la calle son ejemplos familiares. Estas lámparas
contienen vapor de sodio, y la luz se emite únicamente a dos longitudes de
ondas discretas, 588.0 nm y 589.6 nm. Las conocidas líneas “ D ” del sodio. Las
características de salida espectral de una lámpara de sodio se muestran en la
figura 08.
El uso de fuentes lineales en A A S es posible sin monocromadores de
alta resolución debido a que los elementos concurrentes, en principio, no
pueden absorber radiación de la fuente de radiación específica del elemento.
Sin embargo, se requiere como pre-requisito que el analito deba estar
presente en alta pureza espectral en la fuente. Si existen varios elementos en la
fuente de radiación, las interferencias espectrales en el área de la línea analítica,
causada por las de una línea pasando a través del slit de salida del
monocromador y llegando al detector, deben ser evitadas.
Para los instrumentos prácticos de absorción atómica, se requiere que
la fuente de luz emita luz que esté precisamente a la misma longitud de onda a
la que ocurre la absorción atómica para el elemento de interés. En forma
conveniente, esto puede hacerse usando una fuente de luz que emita el mismo
espectro atómico, desde que las longitudes de onda de emisión y absorción
atómica son idénticas. En la mayoría de los instrumentos de absorción atómica,
la fuente de luz usada es la lámpara de cátodo hueco.
Figura 08. Características espectrales de una fuente lineal.
17
F u ndam entos
del
3.2.1
A
n á l is is p o r
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b s o r c ió n
A t ó m ic a
L ám paras de C á to d o H u ec o
(H C L )
Una lámpara de cátodo hueco típica (figura 09) consiste en una
envoltura de vidrio que contiene un cátodo (un cilindro de metal
contenedor del elemento químico a ser excitado) y un ánodo
adecuado, mayormente hecho de tungsteno o níquel. El cilindro de
vidrio de la lámpara contiene un gas inerte, usualmente argón o neón, a
una presión cercana a I kPa.
Algunos cátodos pueden simplemente ser maquinados de una
barra del elemento puro requerido (níquel, fierro, cobre, etc.). Algunos
elementos, sin embargo, son dificultosos de maquinar, y los cátodos
para estos elementos son producidos mediante metalurgia del polvo. El
cátodo es usualmente circundado por una capa aislante de mica,
material cerámico o vidrio. Esto asegura que la descarga sea confinada
al interior del cátodo y proporciona una considerable mejora en la
intensidad de las líneas espectrales emitidas.
base
cátodo
cubierta de vidrio
ventana
án° d °
envoltura de vidrio
Figura 09. Lámpara de cátodo hueco (HCL)
Figura 09. Lámpara de cátodo hueco (H C L)
El ánodo puede ser un anillo anular alrededor de la boca del
cátodo, una ‘cuchilla’ cerca de la boca del cátodo, o un alambre o varilla
localizada en una posición conveniente. En algunos diseños, el ánodo
también actúa como un soporte mecánico para el material aislante.
El material usado para la ventana de la lámpara es importante
desde que este debe transmitir las lineas espectrales del elemento
usado para el cátodo. Usualmente se utiliza el pyrex o cuarzo debido a
sus características de transmitancia a las longitudes de onda sobre los
300 nm. (figura 10).
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F undamentos
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A t ó m ic a
Figura 10. Características de transmitancia del cuarzo y pyrex
Figura IO. Características de transmitancia del cuarzo y pyrex.
El gas de relleno es usualmente argón o neón a una presión de
IO a 15 torr. (cerca de l/50 av o de la presión atmosférica). Se prefiere al
neón debido a que produce una intensidad de señal más alta que el
argón, pero donde ocurre una línea de neón en la vecindad de la línea
de resonancia de un elemento, se usa argón en su reemplazo.
Mecanismo de Operación
Cuando se aplica un voltaje alto -hasta 600 voltios- a través de
los electrodos, los iones gaseosos positivamente cargados bombardean
el cátodo y fuerzan a salir a los átomos del elemento usado en el
cátodo. Estos átomos son subsecuentemente excitados por procesos
colisionales y puede producirse el espectro de ese elemento.
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19
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F undamentos
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b s o r c ió n
A t ó m ic a
Por supuesto, las lámparas de cátodo hueco no son las únicas
fuentes de luz capaces de producir el espectro de líneas de los
elementos químicos, pero estas son las fuentes más universalmente
aceptadas para instrumentos de absorción atómica.
Características de las Lámparas de Cátodo Hueco
a.
Generan una línea muy estrecha. A fin de medir la absorción del
b.
pico, el ancho de la línea fuente debe ser mucho más estrecho que
el ancho de la línea de absorción. El ancho de la línea de absorción
de los átomos en la flama es fuertemente influenciada por la
temperatura y presión, y es normalmente cercano a 0.01 nm. Los
átomos en la lámpara de cátodo hueco están en un ambiente que
posee una temperatura y presión considerablemente más baja. En
consecuencia, el ancho de la línea de emisión es cerca de un décimo
del ancho de la línea de absorción.
Su línea de emisión es fijada precisamente a la misma longitud de
c.
onda de la línea de absorción debido a que es generada por la
misma energía de transición. Esto significa que la fuente de luz
inherentemente genera una señal de emisión a la longitud de onda
correcta para la absorción óptima.
Las H C L pueden fabricarse para cualquier elemento químico factible
d.
de ser determinado por AAS. Todos estos elementos son
adecuados para inclusión en el cátodo por un medio u otro
(maquinado o metalurgia de polvo)
Las H C L son sencillas de operar. Todo lo que se necesita es
e.
conectar los electrodos a un suministro de potencia adecuado y
ajustar la corriente al valor prescrito.
Son estables e intensas. Esta disponible una intensidad adecuada de
f.
señal para la mayoría de elementos tales que la intensidad no es el
factor limitante común. La absorción es independiente de la
intensidad de la fuente de modo que el incremento de la intensidad
de la señal no incrementa el grado de absorción. Debe señalarse,
sin embargo, que la intensidad y el ruido están relacionados en la
absorción atómica, así como en la mayoría de técnicas
espectrométricas.
Las lámparas de cátodo hueco son económicas. La mayoría de
fabricantes garantizan sus lámparas por una vida de 5000
miliamperios-hora o dos años. Esto significa que si una lámpara es
operada a 5 mA, se garantiza que dura al menos 1000 horas de
operación. En uso rutinario esto es adecuado para muchos millares
de determinaciones.
Condiciones de Operación
Para la operación práctica, es esencial que la lámpara de cátodo
hueco esté correctamente alineada en el haz óptico. Esto es, sin
embargo, asunto de alinear mecánicamente la lámpara por medio de
uno o dos tornillos para obtener la máxima señal. Una vez que la
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20
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F undamentos
del
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lámpara está correctamente alineada, la corriente de operación es
entonces el único parámetro que requiere cierta atención. Los
fabricantes generalmente recomiendan
una corriente de operación
adecuada. Esto es rara vez altamente crítico, y pequeñas desviaciones
de esta no afectarán demasiado la sensitividad analítica.
Las desviaciones mayores de la corriente recomendada pueden
ser más serias. Si la corriente de la lámpara es demasiado pequeña, la
señal analítica requerirá amplificación excesiva. Esto casi siempre
producirá un ruido alto indeseable.
Existen dos efectos adversos como resultado de operar una
lámpara a alta corriente. El primero de estos es que la línea de
resonancia se vuelve ampliada y distorsionada. Este fenómeno es
conocido como 'ampliación de auto-absorción’ y es causado por
átomos en la descarga que absorben a la longitud de onda de
resonancia emitidos por átomos similares. El resultado es que la
sensitividad de la absorción es degradada y la curva de calibración se
incrementa. La figura I I ilustra el cambio en la curvatura para el
magnesio cuando la corriente de la lámpara se incrementa. El segundo
efecto adverso es que la vida de la lámpara se acorta a medida que se
incrementa la corriente de operación.
En base a estos factores, es buena práctica de operación usar la
recomendación del fabricante como un punto de inicio y luego
encontrar mediante ensayo-error la corriente que brinde la
combinación óptima de ratio señal-ruido y linealidad de calibración. La
consideración principal es no exceder la corriente máxima estimada.
Figura 11. Efecto del incremento de la corriente de lámpara
sobre la curvatura de la calibración
Figura I I. Efecto del incremento de la corriente de lámpara sobre la
curva de calibración
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F undamentos
del
3.2.2
A n á l is is
po r
A
b s o r c ió n
A t ó m ic a
L á m p a r a s M u l t i- E l e m e n t o
Al combinar dos o más elementos de interés en un cátodo, es
posible producir una lámpara de cátodo hueco que pueda ser usada
para el análisis de más de un elemento. Tal lámpara es de conveniencia
obvia para el análisis práctico, pero existen algunas limitaciones a este
enfoque.
Algunas combinaciones de elementos no pueden usarse debido
a que sus líneas de resonancia están tan cerca que ellas interfieren
entre sí. Esto hace imposible resolver la línea requerida y la
combinación es así no trabajable. Otras combinaciones no pueden ser
usadas simplemente debido a dificultades de fabricación al tratar de
incorporar elementos de características físicas ampliamente diferentes a
un cátodo común.
Con lámparas multielemento de más de tres elementos, la
intensidad radiante de las líneas analíticas individuales puede ser
considerablemente más baja
que con las lámparas de un único
elemento. Esto conduce a un ratio señal-ruido desfavorable que puede
influenciar la precisión y los límites de la detección. Asimismo, las
curvas de calibración son más fuertemente curvadas debido a la alta
radiación por background resultante de la multitud de líneas
espectrales, de modo que el rango lineal de trabajo es restringido si se
compara con las lámparas de elemento único.
Sin embargo, para los elementos químicos a los cuales estas
limitaciones no se aplican, las lámparas multi-elemento proporcionan al
análisis por A A S una fuente conveniente para la determinación de
rutina de varios elementos.
3.2.3
L á m p a r a s d e D e s c a r g a s in E l e c t r o d o
(E D L )
La lámpara de descarga sin electrodo es una fuente de luz
alternativa para un rango limitado de elementos y está entre las fuentes
de radiación que exhiben la más alta intensidad radiante y el ancho de
línea más estrecho. En estas lámparas, el vapor del elemento es
excitado para producir su espectro atómico por medio de un campo de
radiofrecuencia (27.12 MHz). La potencia requerida de radiofrecuencia
es usualmente generada por un oscilador de tubo de vacío y un
amplificador contenido en un suministro separado de potencia. Los
sistemas comerciales usualmente incluyen un módulo de conversión el
cual asegura que la modulación de la lámpara esté directamente
sincronizada con el espectrómetro.
Para elementos volátiles en el U V lejano, una lámpara ED L con
excitación por radiofrecuencia brinda una mejora significativa en el
ratio señal-ruido, así como en el limite de detección. La gran pureza
espectral también da lugar a curvas de una notable mejor linealidad. En
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2 2
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F undamentos
del
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A t ó m ic a
la actualidad, las ED L están bien establecidas en A A S y han reemplazado
a otros tipos de lámparas para ciertos elementos. En el caso del
Arsénico, por ejemplo, una ED L proporciona mejora en la sensitividad
y da un mejor límite de detección por un orden de magnitud
comparado al H C L equivalente. En el caso del Cesio y Rubidio las ED L
han reemplazado a las lámparas de descarga de vapor y al mismo
tiempo han logrado límites de detección que antes sólo se habían
logrado con espectrometría de emisión de flama. La determinación de
fósforo solo se ha tornado factible después de la introducción de la
EDL.
Las ED L están en la actualidad
disponibles para todos los
elementos volátiles y complementan el rango de las HCL. Ellas
típicamente proporcionan límites de detección que son mejores en un
factor de dos o tres. También las H C L para elementos volátiles son
ocasionalmente inestables y tienen tiempos cortos de vida, mientras
que para estos elementos la ED L es especialmente estable y tiene un
tiempo de vida prolongado.
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F u ndam entos
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C A P Í T U L O IV
A T O M I Z A C I Ó N PO R FLA M A (F AAS)
4.
A to m iz a c ió n
por
F la m a ( F A A S )
%
Un requerimiento básico para el método analítico de absorción atómica
es que la muestra sea descompuesta en la mayor extensión posible en sus
átomos constituyentes en el estado basal y exponer esta población de átomos
a una luz de longitud de onda característica de absorción. Idealmente, esta
etapa de atomización debería ser cuantitativa; no debería haber enlaces
residuales en la nube atómica de la fase gaseosa. Cualquier logro menor a la
atomización completa producirá menores sensitividades en cualquier método.
Debe notarse que los cambios en la fracción de atomización de
muestra a muestra o de muestra a estándares causarán errores en la
calibración. Así, es menos importante que se logre la atomización completa si
se compara con el logro de una atomización fraccional extremadamente
consistente. En la medida que esta condición no se cumpla, la interferencia
interelementos (matricial) en la espectrometría atómica puede ser
extremadamente problemática.
La atomización de muestras en solucion procede a través de un
proceso de nebulización (spraying). En términos simples, la nebulización sirve
para incrementar el área superficial de la muestra en solución, de modo que la
evaporación del solvente (desolvatación) pueda proceder más rápidamente y
en forma tal que las partículas secas de soluto puedan ser volatilizadas mejor.
Este esquema, empleado en F AAS, es mostrado en la ruta del lado izquierdo
en la figura 12. Una vez formadas, las gotas en el spray nebulizado son enviadas
a un ambiente de alta temperatura tal como una flama química o un flujo de
plasma de un gas raro. Allí tiene lugar la desolvatación y vaporización de las
partículas de soluto, y el vapor resultante es convertido con mayor o menor
eficiencia en átomos libres.
De hecho, el ambiente en estas descargas es a menudo lo
suficientemente caliente de modo que muchos de los átomos que son
formados se tornan iones cargados positivamente. Asimismo, el ambiente en
estas fuentes de atomización es usualmente lo suficientemente energizado
como para producir una fuerte emisión ya sea desde los átomos liberados o
sus contrapartes iónicas.
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Fundamentos
del
A n á l is is
por
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b s o r c ió n
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t ó m ic a
Figura 12. Esquema básico de la atomización en A A S
4.1
T ip o s d e F la m a
Pueden lograrse diferentes flamas usando diferentes mezclas de gases,
dependiendo de la temperatura y velocidad de combustión deseadas. Algunos
elementos solo pueden ser convertidos en átomos a altas temperaturas. Aún a
altas temperaturas, si está presente exceso de oxígeno, algunos metales
forman óxidos que no se redisocian en átomos. Para inhibir su formación,
pueden modificarse las condiciones de la flama para lograr una flama reductora
(no oxidante).
-
25
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F undam entos
del
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A t ó m ic a
Muchas de las combinaciones combustible/oxidante que fueron
ensayadas en forma experimental demostraron no ser adecuadas en una
forma u otra por razones de utilidad analítica, seguridad, costo o conveniencia.
En la espectrometría de flama moderna, las mezclas aire-acetileno y óxido
nitroso-acetileno son casi universalmente utilizadas para análisis prácticos.
Flamas de aire empleando hidrógeno fueron usadas en cierto grado,
mayormente en asociación con técnicas de generación de vapor, pero los
sistemas modernos de generación de vapor ahora se basan en ‘celdas de
absorción' calentadas eléctricamente o por flama de aire-acetileno. Flamas de
aire-hidrógeno y óxido nitroso-hidrógeno son aún ocasionalmente usadas para
algunas aplicaciones, pero la práctica moderna
tiende a favorecer su
reemplazo con flamas de acetileno.
La flama aire-acetileno es la flama más comúnmente usada en el análisis
por absorción atómico práctico. La temperatura de operación es cerca de
2300°C. La flama de óxido nitroso-acetileno es considerablemente más
caliente y produce una temperatura de cerca de 3000°C. Esta atomizará
compuestos refractarios de elementos tales como el aluminio, sílice, vanadio y
titanio; así como los elementos de tierras raras, aún cuando estos formen
moléculas altamente refractarias en las flamas.
Para cada una de estas flamas, la temperatura de operación y el
ambiente
químico
intrínseco
de
la
flama
dependerá
del
ratio
combustible-oxidante usado. Estas condiciones están caracterizadas como:
i.
Pobre en combustible, u oxidante. Esta es la flama más caliente
ii.
Rica en combustible, o reductora. Esta es la más fría
iii. Estequiométrica, o flama químicamente balanceada. La temperatura es
cerca de la mitad del rango; el ratio combustible-oxidante es cerca de la
mitad entre la flama pobre en combustible y rica en combustible.
La tabla II muestra algunas mezclas combustible-oxidante junto con las
máximas temperaturas alcanzadas. La tabla III muestra algunos elementos de
interés para los cuales se usa aire-acetileno y óxido nitroso-acetileno, junto
con los rangos de concentración de trabajo.
Tabla II. Temperaturas Máximas de Flamas
Combustible
Oxidante
Temperatura °K
Acetileno
Aire
2400 - 2700
Acetileno
Oxido Nitroso
2900 - 3100
Acetileno
Oxígeno
3300 - 3400
Hidrógeno
Aire
2300 - 2400
Hidrógeno
Oxígeno
2800 - 3000
Cianógeno
Oxígeno
4,800
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26
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F undam entos
del
4.2
A
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E l S is t e m a N e b u l iz a d o r - Q u e m a d o r
Los sistemas nebulizador-quemador usados en instrumentos de
absorción atómica atomizan la solución a analizar en etapas sucesivas (figura
13).
haz óptico
O
O
- ÍJ-
o
átomos libres
J ~ ) -------------------
^
O
atomización
especies
moleculares
vaporización
líquido fundido
partículas
sólidas
desolvatación
aerosol
combustible-oxidante
solución
exceso de solución
a desecho
Figura 13. Atomización por flama
Figura I 3 Atomización por flama
gotas
La solución debe primero ser convertida en un spray (aerosol) de finas
por un nebulizador neumático que típicamente tiene la forma y
geometría ilustrada en la figura 14.
- 27
' T-
F undamentos
del
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Figura 14. Nebulizador neumático
En operación, un gas (usualmente el oxidante para la flama) fluye a
través del nebulizador, pasa a través de la sección venturi y deposita solución
en el venturi como un aerosol de gotas. Este aerosol de alta velocidad golpea
un obstáculo cuidadosamente seleccionado (usualmente una pieza esférica de
vidrio) donde las gotas más grandes son divididas en gotas más pequeñas. Solo
cerca de un 10% de la solución es convertida en gotas lo suficientemente finas
como para ser llevadas a la flama, el remanente es empujado contra la pared
de la cámara de aerosol y drenada a la solución de desecho. El aerosol y el
oxidante son mezclados con el combustible entrante y la mezcla completa
finalmente fluye a través del quemador (figura 15).
Figura 15. Sección transversal de un sistema de cámara de aerosol/quemador
-
28
-
F u n d a m e n t o s del A n á l i s i s por A b s o r c i o n A t o m ica
4.3
N eb u liz a c ió n
La función del nebulizador es convertir la solución analítica en un
aerosol que sea plenamente compatible con los requerimientos para la
disociación efectiva en la flama. Físicamente, estos requerimientos parecen ser
cumplidos por una población de gotas que tienen diámetros medios entre 5 y 7
(jm y un máximo de 20 pm. Obviamente, las pequeñas gotas son más fáciles de
secar y vaporizar que las gotas más grandes, y el énfasis es asimismo en
maximizar la proporción de gotas pequeñas dentro del sistema. La posición de
la esfera de vidrio relativa al nebulizador venturi es un factor crítico para
determinar la eficiencia del nebulizador, tamaño de gota, y respuesta analítica
(figura 16). La posición óptima dependerá de las características físicas de la
solución y será necesario ajustar en forma concordante la posición de la
esfera de vidrio.
distancia esfera-venturi (mm)
Figura 16. Influencia del cambio de posición
de la esfera de vidrio
Figura I 6. Influencia del cambio de posición de la esfera de vidrio
La presión a la cual opera el nebulizador es un determinante
importante del tamaño de gota, eficiencia integral de la nebulización y
velocidad de aspiración de solución. En la práctica, la presión de operación es
un valor fijo establecido por el fabricante como el óptimo para el diseño
particular del nebulizador. Sin embargo debe observarse que se deben evitar
F undam entos
del
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las fluctuaciones de corto término en la presión de operación desde que esto
puede causar variaciones de corto término en el proceso de atomización y así
degradar la precisión analítica.
La velocidad a la cual la solución es aspirada a la flama afectará la
respuesta instrumental como se muestra en la figura 17. Puede verse que la
curva absorbancia-velocidad de aspiración de solución tiende a aplanarse a
velocidades de aspiración más altas que 6 ml/minuto, y este es generalmente el
máximo práctico para los nebulizadores convencionales fijos. A velocidades de
aspiración más altas el sistema tiende a saturarse, y la solución adicional no es
atomizada en forma efectiva por la flama. Más aún, el efecto de enfriamiento
de la solución en exceso acentuará cualquier tendencia a que ocurra alguna
interferencia química.
Figura 17. Influencia de la variación de la velocidad de aspiración de solución.
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Fundamentos
del
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Las diferencias en velocidades de aspiración entre muestras y
estándares afectará claramente la precisión analítica, y la nebulización debe ser
idéntica para todas las muestras y estándares en un análisis particular. Esto sólo
puede lograrse si todas las muestras y estándares tienen las mismas
características físicas.
La eficiencia de la nebulización será influenciada por la tensión
superficial de las soluciones aspiradas. Generalmente, a medida que se baja la
tensión superficial, el volumen de la solución que alcanza la flama se
incrementará y la señal analítica también se incrementará. Sin embargo, debe
observarse que esta predicción puede no cumplirse para todos los sistemas
solvente/soluto en todos los nebulizadores bajo todas las condiciones de
operación.
La velocidad de aspiración, el tamaño de las gotas de solución, y su
distribución son gobernados por la dinámica de aerosoles prevaleciente, y esta
dinámica esta sujeta a factores tales como la posición de la esfera de vidrio (o
deflector), la presión del oxidante de entrada, y la geometría del nebulizador.
Para propósitos prácticos, sin embargo, debe notarse que las diferendas en
tensión superficial entre estándares y muestras es indeseable. La tensión
superficial puede ser controlada mediante:
i.
Con solventes orgánicos o mezclas de solventes -las muestras y estándares
ii.
deben tener exactamente la misma composición de solvente.
Con mezclas de soluciones acuosas y orgánicas miscibles. La presencia de
una pequeña cantidad de un solvente tal como el alcohol etílico modificara
la tensión superficial considerablemente, y las composiciones deben
hacerse coincidir con cuidado.
iii. Las concentraciones altas de sales incrementaran la tensión superficial de la
solución. El efecto sobre la nebulización es menos severo que en i. o en ii.
pero se requiere una coincidencia razonable entre muestras y estándares.
4.4
D e s c o m p o s ic ió n d e C o m p u e s t o s
Aún cuando los sistemas de atomización por flama han estado en uso
práctico por muchos años, la disociación molecular en flamas sólo ha sido
estudiada en extensión limitada y los mecanismos exactos de la
descomposición dentro de la flama no son plenamente comprendidos.
En el caso más simple, la descomposición es más probablemente una
progresión directa desde el compuesto analito a través del monóxido a
constituyentes atómicos aún cuando, por supuesto, algunos monóxidos son
más refractarios que otros. Donde la química y la termodinámica son más
complicadas, la descomposición es un proceso indirecto, y una variedad de
compuestos intermedios pueden formarse en la flama antes que el analito
finalmente sea liberado en la forma atómica. Algunos de estos compuestos
intermedios son formados por reacciones con especies tales como C, C 2, CH ,
C N y N H los cuales están intrínsecamente presentes en las flamas químicas.
De estas reacciones, algunas promueven la producción de átomos analitos;
- 31
-
F undamentos
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A n á l is is
por
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otras producen la formación de compuestos refractarios que inhiben la
producción de átomos analitos. En algunos casos, los compuestos intermedios
pueden formarse por reacciones entre varias especies en la muestra.
Nuevamente, algunas de estas reacciones pueden ser útiles en promover la
producción de átomos analitos; otras pueden inhibir el proceso.
De estos conceptos generales se apreciará que es dificultoso predecir
en forma teórica la química de la descomposición para todos los elementos
bajo todas las circunstancias analíticas. Pero como resultado de una extensiva
experiencia práctica, se puede especificar que flama debe usarse para
elementos particulares (ver tabla III) e indicar razones generales para el uso de
diferentes flamas. Para propósitos de esta discusión es conveniente clasificar
determinaciones en categorías amplias de acuerdo a la dificultad relativa de la »
descomposición, la naturaleza general y la extensión de las reacciones
intermedias que interfieren en la producción de átomos analitos.
a.
La flama aire-acetileno es casi
universalmente
utilizada para aquellos
b.
elementos clasificados como de fácil atomización (cobre, plomo, potasio y
sodio por ejemplo). En estas descomposiciones simples, una alta
proporción de los compuesto analitos disponibles son fácilmente
convertidos a átomos en una flama aire-acetileno (la flama más fría de uso
práctico). Las interferencias son despreciables, y el ambiente químico
dentro de la flama (oxidante, estequiométrica o reductora) no es un factor
crítico.
Debe notarse de la tabla III que varios elementos pueden ser determinados
c.
ya sea en flama de aire-acetileno u óxido nitroso-acetileno. Los monóxidos
de estos elementos son más dificultosos de descomponer que los de la
categoría a. Una flama aire-acetileno es útil para estos elementos, pero no
es plenamente efectiva a través de todo el rango analítico. Si, por ejemplo,
una solución de nitrato de calcio es aspirado en una flama aire-acetileno, el
nitrato se descompondrá al monóxido, pero solo una proporción limitada
del monóxido será finalmente convertida en átomos y la señal analítica será
pequeña. En la flama más caliente óxido nitroso-acetileno, una proporción
significativamente más alta de monóxido se convertirá en átomos y se
obtendrá una señal analítica más fuerte. Mientras ambas flamas pueden
usarse para determinaciones de esta categoría, las interferencias en la flama
aire-acetileno pueden ser severas; la naturaleza química de la flama es
importante, y puede ser necesario tomar las medidas correctivas adecuadas
descritas bajo la categoría e.
Los elementos en esta categoría invariablemente forman compuestos que
d.
son intrínsecamente más refractarios que aquellos de la categoría b. y una
flama aire-acetileno no los descompondrá en una cantidad significativa.
Todos los elementos de esta categoría deben ser determinados en la flama
óxido nitroso-acetileno.
La temperatura no siempre es el principal agente de descomposición.
Dentro de cada tipo de flama la naturaleza química de la flama (oxidante,
estequiométrica o reductora) tendrá también un profundo efecto sobre las
propiedades de descomposición de muchos elementos.
Considere la
determinación de molibdeno en una flama aire-acetileno. Si el ratio
- 32
-
F u ndam entos
e.
del
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combustible-oxidante es tal que la flama es químicamente balanceada
(estequiométrica), la descomposición procederá tanto como el monóxido
pero muy poco del monóxido será convertido en átomos. Si la flama es
rica en combustible, será más fría que la estequiométrica, pero será más
fuertemente reductora y el monóxido será reducido a átomos de
molibdeno. En forma similar, una flama óxido nitroso-acetileno
estequiométrica produce una concentración relativamente pobre de
átomos de sílice. De otro lado, una flama óxido nitroso-acetileno rica en
combustible es considerablemente más efectiva. Para determinaciones en
esta categoría, asimismo, la generación de átomos no es solo un asunto
directo de temperatura, sino que requiere una combinación adecuada de
temperatura y ambiente químico dentro de la flama,
Las determinaciones en esta categoría se caracterizan por interferencias
producidas por reacción del elemento a analizar con otras especies en la
muestra. Del ejemplo del nitrato de calcio en la flama aire-acetileno se
recordará que esta flama puede ser usada para análisis prácticos aun
cuando se descompone una proporción limitada del monóxido disponible.
Suponga que la solución original de nitrato de calcio contiene una cantidad
significativa del silicato de otro elemento. En esta circunstancia, la reacción
en la flama significará la formación de complejo silicato de calcio. La
concentración de átomos de calcio libre será ahora considerablemente más
baja debido a que el complejo de silicato es mucho más refractario que el
monóxido y la respuesta analítica será pobre. Las interferencias de esta
clase son extremadamente severas para magnesio, calcio, estroncio y bario
debido a que en presencia de aluminio, sílice y fósforo la formación de
aluminatos, silicatos y fosfatos refractarios interferirá severamente con la
producción de átomos analitos.
Están disponibles tres medidas correctivas:
i. Una flama óxido nitroso-acetileno
ii.
minimizará
o
removerá
tales
interferencias debido a que la flama es lo suficientemente caliente
como para descomponer los compuestos en mención.
Puede agregarse un elemento 'buffer' para ‘competir’ con los elementos
a analizar en cuanto a reaccionar con el grupo interferente, de modo
que existirá atomización completa aún a bajas temperaturas. Por
ejemplo, si se agrega un gran exceso de estroncio a la solución original
de nitrato de calcio (incluyendo silicato), la mayoría del silicato
reaccionará con el estroncio (debido a su mayor concentración) de
modo que el resultado
será una concentración mucho mayor de
átomos libres de calcio en la flama. Tales aditivos se denominan a
menudo ‘agentes de liberación'
iii. Las soluciones estándar pueden hacerse coincidir a las muestras con
respecto al elemento interferente. Por supuesto, esto no siempre es
posible debido a que requiere un conocimiento de la composición de la
muestra lo cual no siempre está disponible. Si no se toman tales
precauciones, es obvio que pueden obtenerse resultados incorrectos.
Si por ejemplo se midiese una serie de estándares de calcio (sin silicato
presente) y
se construyese la gráfica de calibración, entonces la
medición de muestras desconocidas de calcio que contengan una
- 33
-
F u ndam entos
del
A
n á l is is p o r
A
b s o r c ió n
A
t ó m ic a
concentración razonable de calcio producirá resultados muy bajos
desde que la lectura de absorción atómica del calcio se verá seriamente
deprimida.
Tabla III. Tipo de Flama, Técnicas Alternativas y Rangos de Trabajo sobre algunos
Elementos de Interés (Au, Ag, Cu, Fe, Pb, Zn, As, Hg)
Elemento
Análisis
Análisis por Horno
Generación de Vapor
Rango de Trabajo
Rango de Trabajo
Rango de Trabajo
pg/mL
ng/mL
pg/mL
de Flama
Tipo de Flama
Ag
As
AA
0.03 - 10
0.5 - 12
NA/AA
2 - 200
5 - 100
Au
AA
0.10 - 30
2 - 40
Cu
AA
0.02 - 10
1 - 20
Fe
AA
0.05 - 20
1 - 20
Hg
Pb
AA
2 - 600
n l - 20
0.01 - 0.08
AA
0.2 - 30
2 - 25
0.05 - 0.30
Zn
AA
0.01 - 2
0.1 - 2
0.005 - 0.03
[* ] |Jg/mL
A A = aire-acetileno
N A = óxido nitroso-acetileno
Tabla IV. Parámetros de Operación para Métodos AAS desarrollados sobre algunos
Elementos de Interés (Au, Ag, Cu, Fe, Pb, Zn, As, Hg)
Elemento
Medio
Longitud de
Onda (nm)
Corriente de
Lámpara .
Slit (nm)
Estándares
ppm (Abs.)
Std. 1
Std. 2
10 ( 0.346)
12 (1.123)
(mA)
4.5
Au
CN-
242.8
4.0
0.5
5 (0.319)
Ag
CN-
328.1
4.0
0.5
4 (0.598)
Ag
Cu
HCI
328.1
4.0
0.5
4 (0.403)
HCI
324.7
3.0
0.5
5 (0.889)
Fe
HCI
248.3
7.0
0.2
5 (0.636)
Pb
HCI
217.0
5.0
1.0
20 (0.622)
Zn
HCI
213.9
5.0
0.5
1 (0.208)
Hg
As
HCI
253.7
3.0
0.5
0.2 (0.825)
HCI
193.7
20.01'1
2.0
5 (0.810)
3 (0.461)
P o s ic ió n d e l Q u e m a d o r
De la discusión sobre la descomposición es evidente que se puede
maximizar la población de átomos a analizar en la flama proporcionando el tipo
correcto de flama, estequiometría de flama adecuada y una química de
soluciones apropiadas. Pero, antes de que puedan hacerse mediciones analíticas
efectivas es necesario asegurar que la luz en la longitud de onda característica
pase directamente a través de la población de átomos analitos.
F undamentos
del
A
n á l is is p o r
A
b s o r c ió n
A t ó m ic a
Los átomos analitos libres no están distribuidos uniformemente dentro
de la envoltura de la flama, y bajo ciertas condiciones dadas de flama existirá
una zona particular que esta más densamente poblada que otras partes de la
flama. Obviamente, la máxima señal analítica será obtenida si luz a la longitud
de onda característica pasa directamente a través de la zona de máxima
población. Sin embargo, la localización de esta zona dentro de la flama no es
idéntica para todos los análisis, y no existe una
posición fija única
del
quemador que sea automáticamente adecuada para todas las situaciones
analíticas. Es asimismo necesario ajustar la posición del quemador para cada
análisis por separado de modo que la zona de máxima población coincida con
el haz óptico (ver figuras 18 y 19). Todos los instrumentos incorporan
controles simples que posibilitan el movimiento del quemador a la posición a la
cual se obtiene la máxima absorbancia. También es importante recordar que
la alteración del ratio combustible-oxidante, o el cambio del flujo total de
combustible sin alterar la estequiometría puede elevar o decrecer la ubicación
de la zona de máxima población dentro de la flama.
El quemador también puede ser rotado de modo que el haz óptico pase
en forma oblicua a través de la población de átomos. El efecto de esto es
reducir la absorbancia obtenida, esta técnica se usa en ocasiones para extender
la concentración de trabajo hacia arriba, tal como se discute en el capítulo
sobre Análisis Cuantitativo.
Figura 18. Ajuste horizontal del quemador
F undamentos
del
A
n á l is is p o r
A
b s o r c ió n
A
t ó m ic a
Figura 19. Ajuste vertical del quemador.
4.6
A b s o r c ió n d e l B a c k g r o u n d
Una de las mayores virtudes de la espectrometría de absorción atómica
yace en el hecho de que la absorción ocurre a longitudes de onda específicas
que son características del elemento químico. En teoría, cualquier absorción
que ocurra puede ser atribuida directamente a la presencia de átomos analitos,
y el grado al cual ocurre la absorción es una función de la densidad de la
población de átomos. En la práctica, sin embargo, la señal analítica puede ser
atenuada por medios diferentes a la absorción atómica. Esto se manifestará
como mediciones de absorbancia que son más altas de lo que debería ser para
una población dada de átomos, y el resultado analítico no será válido.
Las principales fuentes de absorción por background son la absorción
molecular y la dispersión de la luz. La absorción molecular ocurre cuando la
flama no es lo suficientemente caliente como para descomponer todos los
compuestos en la muestra. Las moléculas remanentes entonces absorberán luz,
y si el espectro de absorción traslapa la longitud analítica se medirá algo de
absorción adicional al mismo tiempo que la señal de absorción analítica válida.
La flama en sí también produce absorción, especialmente a bajas temperaturas.
La figura 20 muestra el rango de longitudes de onda sobre el cual
absorben las moléculas de cloruro de sodio. La figura 21 muestra la línea
aguda característica para el plomo. Sí, por ejemplo, se determina plomo en
presencia de grandes cantidades de cloruro de sodio, la absorbancia medida
será la suma de la absorción atómica que ocurre a 217 nm y la absorción
molecular que también ocurre a 217 nm. Para obtener resultados analíticos
válidos en esta clase de situación, es necesario usar un sistema corrector de
background.
-
36
-
F undam entos
del
A n á l is is
por
A
b s o r c ió n
A t ó m ic a
\
Figura 20. Absorción de banda amplia (cloruro de sodio)
La dispersión de luz puede ocurrir cuando la muestra tiene una alta
concentración de sólidos disueltos. Nuevamente aquí, la flama puede no ser lo
suficientemente caliente como para descomponer en forma completa la
muestra, y las partículas sólidas pueden permanecer en algunas áreas de la
flama. Estas partículas pueden reflejar y dispersar algo de la luz incidente, y
esto se verá como una atenuación de la luz transmitida aún cuando no tenga
lugar ninguna absorción.
Con los sistemas de atomización por flama, tanto la absorción
molecular como la dispersión de luz no son significativas a menos que las
mediciones se hagan cerca al límite de detección. Sin embargo, existen algunas
situaciones de análisis prácticos en las longitudes de onda más bajas cuando la
_
_
F undam entos
del
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t ó m ic a
absorción por background puede ser problemática. Con los sistemas de horno
de grafito, sin embargo, la situación es algo diferente. En la etapa de calcinado,
es algunas veces necesario hacer un compromiso entre la remoción completa
del efecto matricial no deseado y la pérdida del elemento analito. Bajos estas
condiciones, las especies moleculares pueden estar presentes durante la etapa
de atomización y asimismo puede ocurrir absorción por background en forma
significativa. Generalmente, el uso de un corrector por background
compensará la absorción por background, mientras que en algunos análisis por
horno es posible evitar o minimizar el problema mediante modificación
química de los estándares y muestras. Estas situaciones se discuten en el
capítulo sobre Análisis Cuantitativo.
Figura 21. Linea de a b so rc ió n aguda (plomo)
Figura 21. Absorción de línea aguda (plomo)
4.7
Io n iz a c ió n
Las mediciones de absorción atómica dependen de la presencia de
átomos libres y neutros que tengan propiedades espectrales características. A
temperaturas elevadas, los átomos pueden ser ionizados con un consecuente
cambio en su respuesta espectral.
-
■
i-
38
-
Fundamentos
del
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t ó m ic a
La ionización significa la pérdida de uno (o más) de los electrones más
exteriores del átomo. Desde que este electrón estuvo involucrado en las
transiciones de nivel de energía
que definen la línea de absorción de
resonancia, no puede ocurrir ninguna absorción a esta longitud de onda. El
grado de ionización es diferente para cada elemento, dependiendo de la
energía requerida para remover los electrones. Esta energía puede ser
suministrada en varias formas, pero para la absorción atómica la mayor fuente
es el calor de la flama. Particularmente en la flama óxido nitroso-acetileno,
muchos elementos son al menos parcialmente ionizados, pero la energía
disponible es tal que normalmente solo un electrón es removido y se forma un
ión con carga única.
Nótese que el grado de ionización se incrementará a medida que la „
concentración decrece de modo que en vez del gráfico normal de calibración
(nominalmente lineal pero en la práctica curvado hacia el eje de
concentraciones a altas absorbancias) la forma del gráfico será como la
ilustrada por la curva A en la figura 22.
Figura 22. Curvatura de la calibración
causada por ionización
Figura 22. Curvatura de la calibración causada por ionización
Debe observarse también que todas estas consideraciones de
ionización se aplican sólo en soluciones puras del elemento particular. La
presencia de cualquier otro elemento con un potencial de ionización cercano o
más bajo que del elemento a analizar modificará la extensión de la ionización
en forma significativa. Si una solución pura de cloruro de sodio es aspirada en
_
3 g
_
Fundamentos
del
A
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b s o r c ió n
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t ó m ic a
una flama, el equilibrio entre los átomos neutrales de sodio y iones sodio es
dependiente de la temperatura.
Si se introduce ahora un exceso de cloruro de potasio en la solución de
cloruro de sodio el potasio se comportará de manera similar.
Desde que ambas de estas ionizaciones producen electrones libres, la
Ley de Acción de Masas causa que el equilibrio de ionización sea desplazado en
una dirección que favorezca a los átomos neutrales y en consecuencia se
obtendrá una mayor absorbancia para una medición del sodio por absorción
atómica.
El resultado de tal comportamiento es fácil de observar. Si se usan
estándares que contienen únicamente sodio, la ionización reducirá en forma
significativa las lecturas de absorción atómica.
Si luego se mide una muestra que contenga también potasio, el grado
de ionización de los átomos de sodio decrecerá debido a la presencia del
potasio, y en consecuencia se obtendrá una lectura de absorción atómica
relativamente más alta.
En la práctica, los medios efectivos de evitar la interferencia debida a la
ionización es ‘amortiguar los estándares y muestras con una alta concentración
de un elemento fácilmente ionizable. Puesto que la concentración de este
elemento es mucho mayor que el del elemento analito, y su potencial de
ionización más bajo, puede efectuarse una supresión esencialmente completa
de la ionización.
Debido a su bajo potencial de ionización, los amortiguadores de
ionización comúnmente usados son: sodio, potasio y cesio.
- 40
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F undam entos
del
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t ó m ic a
CA PÍTU LO V
A T O M I Z A C I Ó N POR H O R N O (GF A A S)
5.
A
t o m iz a c ió n
po r
H
orno
(G F
A A S)
Aún cuando los sistemas de atomización por flama para A AS son
simples, convenientes y dan excelentes resultados, estos sistemas están sujetos
a limitaciones de sensitividad que restringen el alcance analítico de los métodos
de flama. La necesidad de superar esta limitación ha llevado al desarrollo
extensivo de los sistemas de atomización por horno en el cual los analitos
pueden ser determinados a concentraciones que son hasta 100 veces más bajas
que los valores correspondientes a los métodos de flama.
Un horno de grafito es un un atomizador electrotérmico (ETA). La
atomización mediante este método corresponde a la ruta del lado derecho en
la figura 12. En el horno de grafito, el solvente es primero evaporado desde la
muestra a una temperatura moderada. La temperatura del horno es luego
elevada de modo que el material orgánico es incinerado, y la temperatura es
luego incrementada rápidamente al punto donde la muestra es vaporizada y
por último atomizada. Es obvio que la temperatura del horno y la composición
de la muestra son extremadamente importantes para asegurar la eficiencia y
consistencia de esta atomización.
5 .1
P r in c ip io d e O p e r a c ió n
Si bien existen diferentes enfoques referidos al diseño detallado y
construcción de atomizadores de horno, todos ellos realizan el mismo proceso
fundamental -generar una población de átomos a analizar libres de modo que
pueda medirse la absorción atómica. En su forma más simple, este proceso se
logra en tres etapas:
a.
Secado, en la cual el solvente es removido de la muestra.
b.
Calcinado (Incineración), en la que se remueve las moléculas orgánicas o
c.
material inorgánico.
Atomización, en la cual los átomos libres del analito son generados dentro
de una zona confinada coincidente con el haz óptico del instrumento AAS.
La señal de absorción producida en la etapa de atomización es un pico
bien definido. La altura y área de este pico esta relacionada a la cantidad de
analito presente en la muestra. Los picos característicos pueden ser
presentados sobre una carta registradora, o pueden ser establecidos por
-
- 41
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Fu ndam entos
del
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b s o r c ió n
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t ó m ic a
sistemas de medición electrónica de picos incorporadas en el espectrómetro.
Tales sistemas típicamente proporcionan medidas de altura y área de un pico.
A semejanza de los métodos de absorción atómica por flama, es
necesario obtener mediciones comparativas de estándares y muestras a fin de
establecer valores de concentración para las muestras.
En lo fundamental, el atomizador por flama y de horno proporcionan el
mismo producto final -un suministro de átomos libres de analito para
exponerlo a una luz de longitud de onda característica. Sin embargo, debe
notarse que mientras se obtiene el mismo producto final de ambos sistemas,
existen diferencias sustantivas en los mecanismos de disociación molecular y
en la eficiencia integral del proceso de producción de átomos.
En los análisis por flama, la composición química de la flama (en vez de
la temperatura) es generalmente más importante para maximizar la fracción
de átomos libres. La eficiencia de conversión es baja -típicamente solo cerca
del 10% de la muestra aspirada se convierte en población de átomos libres
para medición en el haz óptico.
En los atomizadores de grafito, la disociación molecular es gobernada
por la temperatura final empleada, la velocidad a la cual se alcanza esta
temperatura, y el ambiente reductor del grafito caliente. La eficiencia de
conversión es típicamente alta dado que toda la muestra disponible se usa para
producir
la población de átomos dentro del haz óptico. Así, para una
concentración dada de analito, la población de átomos en el atomizador de
horno será considerablemente más densa que en la flama. En términos
analíticos prácticos, pueden obtenerse mediciones dentro del rango de
absorbancia útil a concentraciones considerablemente más bajas de lo que es
posible por métodos de flama.
5.2
A t o m iz a d o r e s d e T u b o d e G r a fit o
La operación práctica de atomizadores de tubo de grafito puede ser
explicada considerando la construcción y operación del atomizador utilizado
en la figura 23. El tubo de grafito esta montado entre dos electrodos
localizados en un bloque de metal enfriado por agua. Un mecanismo de
balanceo bloquea el tubo de grafito en el lugar y permite que el ensamblaje del
horno sea abierto para el reemplazo del tubo.
El área de contacto entre los electrodos y el tubo es relativamente
pequeña. El tubo es calentado resistivamente por el paso de una corriente a
bajo voltaje. Gas inerte (normalmente argón o nitrógeno) fluye a través de los
electrodos para proteger de una rápida oxidación a las superficies interiores y
exteriores del atomizador.
El tubo esta cubierto internamente con grafito pirolítico el cual es
relativamente impermeable a los gases o átomos. El grafito pirolítico es
también más resistente a la oxidación que el grafito normal, y es químicamente
no reactivo.
F undamentos
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Para análisis prácticos, se introduce un pequeño volumen de muestra
(típicamente entre 20 y 40 pL) en el tubo atomizador a través de la entrada
en la parte superior del tubo. Las muestras pueden ser inyectadas
manualmente usando microjeringas, o el proceso puede ser automatizado por
medio de un dispensador automático de muestras. El atomizador es calentado
de acuerdo a una secuencia determinada.
puerto de inyección
de muestra
haz
óptico
tubo de grafito
r
electrodo
X
Figura 23. Atomizador de tubo de grafito
llilE
electrodo
Figura 23. Atomizador de tubo de grafito
5.3
S e c a d o y C a l c in a d o
En la primera etapa de calentamiento (secado), el solvente es
evaporado de la muestra a una temperatura cercana al punto de ebullición. La
evaporación debe ser suave a fin de evitar pérdidas mecánicas por formación
de espuma o derrames. Cuando la etapa de secado esta completa, el residuo
en el tubo atomizador consistirá de una capa delgada de material que contiene
el elemento a analizar junto con todos los sólidos disueltos y componentes
menos volátiles de la matriz de la muestra.
En la etapa de calcinado, la matriz es descompuesta térmicamente a una
temperatura intermedia en una combinación de procesos que incluyen pirólisis,
destilación y combustión. El objetivo es remover todos los componentes de la
matriz mientras se mantiene el elemento a analizar completamente dentro de
atomizador en un forma químicamente estable de modo que pueda proceder la
atomización sin interferencia de la matriz. Cuando esta etapa esta completa, el
residuo debería consistir en el elemento a analizar en su forma molecular
adecuada, y un mínimo de otros compuestos (comúnmente sales inorgánicas)
que pueden ser térmicamente estables a las temperaturas de calcinado.
La etapa final es la disociación de las especies a analizar moleculares a
una alta temperatura (hasta 3000 °C ) en una atmósfera de gas inerte. Esto
genera una población de átomos libres en el haz de luz de modo que puede
realizarse la medición por AAS.
- 43
•*7*
-
Fundamentos
del
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b s o r c io n
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t ó m ic a
Mientras que es conveniente considerar al proceso de atomización
como una secuencia de tres etapas (secado, calcinado y atomización), los
atomizadores de tubo de grafito modernos emplean una programación
multietapas en vez de un secuencia rígida de tres etapas.
El programa completo de atomización se divide en
pequeñas etapas (usualmente entre 8 y 20). Cada etapa puede
en forma separada en cuanto a
duración, velocidad de
temperatura y temperatura al final de cada etapa. En la figura
programa multietapa típico.
un número de
ser programada
incremento de
24 se ilustra un
Figura 24. Programa de temperatura
Figura 24. Programa de Temperatura
Tabla V. Parámetros de Operación del Horno
Tipo de Gas
Etapa N°
Temp. °C
Tiempo (seg.)
Flujo de Gas
1
90
3.0
3.0
normal
2
95
50.0
3.0
normal
3
150
10.0
3.0
normal
4
1200
10.0
3.0
normal
5
1200
20.0
3.0
normal
6
1200
0.5
0.0
normal
7
2400
0.7
0.0
normal
8
2400
0.5
0.0
normal
9
2400
2.0
3
normal
10
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F u ndam entos
del
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C A P Í T U L O VI
G E N E R A C I Ó N DE V A P O R (HG AAS)
6.
G
en er a ció n
de
V
apor
(H G
AA S)
%
El método de generación de vapor incrementa la sensitividad de la
técnica de absorción atómica para el Hg y para los metales que forman
hidruros (As, Bi, Sb, Se, Sn y Te), muchos de los cuales requieren monitoreo a
nivel de trazas (debido a su importancia como contaminantes ambientales).
Com o cabe esperar, el nivel analítico significativo para estos elementos está
debajo del límite de detección de los métodos tradicionales de flama.
6.1
G e n e r a c ió n d e H id r u r o s
La técnica denominada “ generación de hidruros” se basa en reducir
químicamente a los metales formadores de hidruros (Sb, As, Bi, Pb, Se, Te, Sn)
al hidruro gaseoso y luego disociar el hidruro (poco estable a altas
temperaturas) en un tubo calentado de cuarzo donde ocurre descomposición
térmica. La luz absorbida por los átomos a analizar es entonces determinada
de manera normal con un espectrómetro de absorción atómica.
El procedimiento químico es sencillo. La reducción se efectúa mediante
la adición de solución de borohidruro de sodio (N a B H 4) a la muestra
acidificada. Las concentraciones de reactivo son escogidas para dar evolución
cuantitativa
del vapor elemental del hidruro en unos pocos segundos a
temperatura ambiente.
Un procedimiento alterno es el método del cloruro estañoso (SnCh),
en este se agrega dicromato de potasio (K.2CrC>7) a la muestra y la solución
obtenida se hace reaccionar con una solución acidificada de cloruro estañoso
para formar los hidruros gaseosos.
En ambos casos, el vapor de hidruro es entonces barrido por una
corriente continua de gas inerte (argón o nitrógeno) en un tubo de cuarzo que
es calentado en una flama aire-acetileno. Los compuestos del vapor de hidruro
son atomizados y la señal de absorción es medida como un pico bien definido
mientras el vapor pasa a través del tubo de cuarzo.
En la figura 25 se ilustra un sistema generador de hidruros basado en
flujo continuo.
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F undamentos
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Figura 25 Diagrama funcional de un sistema generador de hidruros basado en
flujo continuo
Reacciones de Generación de Hidruros
La reacción neta del tetrahidroborato de sodio (borohidruro de sodio)
en solución ácida y la reducción simultánea del elemento formador de hidruro
puede ser descrita mediante las siguientes ecuaciones:
B H 4- + H30 +
+ 2 H 20
H 3B O 3 + 4H 2
y
3
B H 4- + 3H + + 4 H 2S e 0 3 - * 4SeH 2 + 3H20
+ 3 H3BO3
donde el selenio puede reemplazarse con cualquier elemento generador de
hidruros, aún cuando estas ecuaciones son una aproximación del proceso
verdadero, el cual todavía es desconocido.
El hecho de que bajo condiciones óptimas la generación del hidruro y
el transporte al atomizador sea virtualmente cuantitativa para todos los
elementos formadores de hidruros es de suma importancia práctica. Se
producen rendimientos tales como: selenio (95%), bismuto (95%), plomo
(80%), entre otros.
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■* ■
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F undamentos
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Disociación térmica
Salida de As'+H-,
2A s , —* 2 As + 3
optical path
átomos As°
HCL-As
/
//
Calor (flama)
Entrada de A sH 3
Figura 2b.
Q uartz Tube Atom izer. Usada en la técnica de
generación de hidruros, determinación de As
Figura 26. Atomizador de Tubo de Cuarzo para generación de hidruros
Retiro del Hidruro de la Solución
De las observaciones cinéticas se observa que la conversión de As(lll) a
A s H 3 es en menos de 0.1 s. Entonces la etapa de velocidad determinante es el
retiro del arsénico de la solución; para este propósito el hidrógeno generado
es más efectivo que el gas de purga. En un sistema de flujo el 70% de la
solución de tetrahidroborato de sodio se había descompuesto 0.3 ms después
que se le puso en contacto con I mol/L de ácido sulfúrico; 80% se había
descompuesto después de Ims y no se pudo detectar N a B H 4 después de 10
ms. No tienen influencia en esto ni la concentración de tetrahidroborato ni la
del ácido, concluyéndose que la formación del hidruro, al menos para Se(V) y
As(lll) fue completa dentro de este período. El hecho de que una zona de
reacción interpuesta después del reactor incrementó la sensitividad de ambos
elementos afirmó la conclusión que el retiro del hidruro fue la etapa
determinante de la velocidad.
Sistemas de Flujo para Generación de Hidruros
En los sistemas de flujo, las soluciones son mayormente bombeadas y
mezcladas en forma continua de modo que puede establecerse cierto
equilibrio de la reacción. En contraste con los sistemas batch, en los cuales la
reacción y separación del hidruro ocurren en el mismo contenedor, en los
sistemas de flujo estos procesos mayormente se llevan a cabo en zonas
separadas. El tiempo de reacción, durante el cual la fase de separación ya
ocurre naturalmente, puede ser influenciado por la longitud de la zona de
reacción y la velocidad de flujo. Usando zonas cortas de reacción y bombeando
la solución de reacción rápidamente siguiendo a las fase de separación brinda la
posibilidad de suprimir cinéticamente las reacciones lentas. Esta técnica se
denomina discriminación cinética y se usa especialmente en sistemas de Flow
Injection para eliminar interferencias.
F undamentos
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A t ó m ic a
Influencia del Estado de Oxidación
Para los elementos de grupo V, arsénico y antimonio (el bismuto solo
se presenta en el estado trivalente), la diferencia entre los estados trivalente y
pentavalente de oxidación depende mucho del sistema usado en condiciones
experimentales. En los sistemas batch a un pH < I el arsénico se forma más
lentamente desde As(V) que desde As(lll) y esto significa un pico 25-30% más
bajo, aun cuando las áreas de pico son casi las mismas; estas diferencias
dependen adicionalmente de las concentraciones de ácido y tetrahidroborato
de sodio. Estas condiciones son similares para el antimonio excepto que la
diferencia en las alturas de pico para los estados tri y pentavalente son más
pronunciadas.
Esta situación es significativamente diferente en sistemas de flujo donde
la reducción más lenta del estado pentavalente conduce a mayores diferencias
en sensitividad debido a la discriminación cinética. Si bien en los sistemas batch
se puede omitir la pre-reduccion de A s(V) y Sb(V), esto no es recomendable
en los sistemas de flujo debido a la pérdida en sensitividad. Para realizar esta
reducción fue usual usar yoduro de potasio (Kl), solo o mezclado con ácido
ascorbico. Una cierta desventaja es que se requieren concentraciones
relativamente altas de reductor (30-100 g/L Kl) y ácido (5-10 mol/L H C I) y que
las soluciones de Kl son inestables. Bajo estas condiciones el antimonio se
reduce casi espontáneamente mientras que el arsénico reacciona más
lentamente de modo que se requiere el calentamiento de la solución y un
periodo de espera más largo. Se ha propuesto a la L-Cisteina como un
reductor alternativo al Kl. Las ventajas de este reductor incluyen el hecho de
que es efectivo a concentraciones de 5-10 g/L y que la concentración óptima
de ácido es 0.1-I mol/L HCI. Asimismo, la L-Cisteina estabiliza los analitos
reducidos de arsénico y antimonio en estado trivalente por varios dias.
Transporte de Hidruros
El transporte del hidruro gaseoso al atomizador puede ser realizado
con hidrogeno auxiliar o un gas inerte tal como el argón o nitrógeno. Este
transporte es virtualmente cuantitativo cuando el hidruro no fue colectado,
por esta razón es prefible la transferencia directa al atomizador.
6 .2
T é c n ic a d e V a p o r F r ío
La técnica de vapor frío solo puede aplicarse para la determinación de
mercurio y se basa en ciertas características típicas de este elemento -la única
excepción es el elemento cadmio que también puede ser determinado por esta
técnica. Desde que el mercurio puede ser fácilmente reducido de sus
compuestos al metal y posee una presión de vapor de 0.0016 mbar a 20°C,
este puede ser determinado directamente sin alguna unidad atomizadora
especial.
Las determinaciones de mercurio pueden ser llevadas a cabo en el
mismo generador de vapor usado para métodos de hidruro, pero no se
F undamentos
del
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requiere formación del hidruro gaseoso y no se necesita la flama. Los
compuestos de mercurio en solución ácida son reducidos el elemento libre
con cloruro estañoso y el vapor de mercurio es barrido en la celda de cuarzo
por una corriente continua de nitrógeno. La señal de absorción es medida
como un pico bien definido.
Los detalles analíticos y rangos de concentración de trabajo para
métodos de generación de vapor de dan en la tabla III.
Figura 27. Diagrama funcional de un sistema de generación de vapor de
mercurio basado en el sistema de flujo continuo.
Interferencias
Virtualmente no ocurren interferencias espectrales con la técnica de
vapor frío. Se reportó que el vapor de agua había ocasionado atenuación por
background, sin embargo la molécula de H 2O no exhibe ninguna banda de
absorción en la línea del mercurio y se estima que las interferencias observadas
fueron debidas a gotas de solución acarreadas con la corriente de gas o a
condensación del vapor de agua en la celda de absorción. Esto puede
prevenirse mediante un agente secante adecuado o calentando la celda.
Observese una celda típica en la figura 28.
Las causas de errores sistemáticos dependen en gran medida de la
movilidad de este elemento y sus compuestos. Estos errores incluyen valores
del blanco, contaminación debida a reactivos y pérdidas debidas a vaporización,
adsorción o conversiones químicas. Las materias suspendidas en muestras
líquidas no deben ser removidas por filtración desde que el filtro puede
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F undamentos
del
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adsorber una considerable cantidad de mercurio debido a su gran área
superficial.
optical path
átomos Hg
H C L - H?
Entrada de H ?°
Salida de H ?°
Figura 28.
Celda de absorción de cuarzo, usada en la técnica
de v a p o r in o para determ inación de M ercurio
Figura 28. Celda de absorción de cuarzo, usada en la técnica de vapor frío para
determinación de mercurio.
Algunos metales pesados pueden interferir dado que pueden ser
reducidos por el tetraborato de sodio (o cloruro estañoso) y luego reaccionar
en la forma reducida con mercurio. En principio, estas interferencias son
análogas a aquellas que pueden ser observadas en la técnica de generación de
hidruros. Los metales nobles reducidos pueden reaccionar con mercurio vía la
formación de amalgamas, los metales que son menos nobles pueden aglutinar al
mercurio por cementación. Para evitar estas interferencias se tienen las
siguientes medidas:
♦ incrementar la concentración de ácido
♦
Usar iones de Fe(lll) como un buffer
♦
Usar reactivos de enmascaramiento tal como cianuro
♦
Uso de discriminación cinética en sistemas Fl
Análisis de Cadmio por Vapor Frío
El elemento cadmio puede también ser analizado por la técnica de
vapor frío. En reacción con N a B H 4, el cadmio es probable que forme
inicialmente un hidruro, el cual es muy inestable y se descompone muy
rápidamente según:
(C d H 2 )¡n e sta b le -
C d °
+
H
2
Se forma entonces vapor de cadmio, el cual a semejanza del vapor de
mercurio solo debe ser transportado a la celda de cuarzo no calentada para su
determinación.
F undamentos
del
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C A P Í T U L O VII
MONOCROMADORES
7.
M
o n o c ro m a d o res
La función de un monocromador es aislar un línea de resonancia
atómica única del espectro de líneas emitidos por la lámpara de cátodo hueco.
En efecto, es un filtro ajustable que selecciona una región estrecha y específica
del espectro para transmisión al detector y rechaza todas las longitudes de
onda fuera de esta región.
iong. de onda (nm)
Figura 29. Espectro atómico del cobre alrededor de 324.7 nm
Figura 29. Espectro atómico del cobre alrededor de 324.7 nm
Idealmente, el monocromador debería ser capaz de aislar solo la línea
de resonancia y excluir todas las otras longitudes de onda. Para algunos
elementos esto es relativamente fácil; para otros es más dificultoso. El cobre
por ejemplo tiene un espectro comparativamente no confuso con la línea más
cercana estando a 2.7 nm de la línea de resonancia de 324.7 (figura 29). El
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F undamentos
del
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C A P Í T U L O Vil
MONOCROMADORES
7.
M
o n o c ro m a d o res
La función de un monocromador es aislar un línea de resonancia
atómica única del espectro de líneas emitidos por la lámpara de cátodo hueco.
En efecto, es un filtro ajustable que selecciona una región estrecha y específica
del espectro para transmisión al detector y rechaza todas las longitudes de
onda fuera de esta región.
long. de onda (nm)
Figura 29. Espectro atómico del cobre alrededor de 324.7 nm
Figura 29. Espectro atómico del cobre alrededor de 324.7 nm
Idealmente, el monocromador debería ser capaz de aislar solo la línea
de resonancia y excluir todas las otras longitudes de onda. Para algunos
elementos esto es relativamente fácil; para otros es más dificultoso. El cobre
por ejemplo tiene un espectro comparativamente no confuso con la línea más
cercana estando a 2.7 nm de la línea de resonancia de 324.7 (figura 29). El
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F undamentos
del
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ranuras por milímetro. Las ranuras deben ser rectas, igualmente espaciadas,
paralelas y de forma idéntica. La luz que llega a estas ranuras es difractada, y
por un proceso de mutua interferencia, la luz es dispersada en diferentes
ángulos de acuerdo a su longitud de onda. El espectro resultante es difundido
sobre un ángulo amplio al dejar la superficie de la rejilla. Al rotar la rejilla,
cualquiera de las longitudes de onda constituyentes pueden ser enfocadas
sobre el slit de salida vía el segundo espejo. El remanente del espectro no cae
en el segundo espejo, o es enfocado lejos del slit de salida.
Figura 3 I . Geometría óptica del monocromador (montaje Czerny-Turner)
La densidad de líneas, o número de ranuras por milímetro, determina el
ángulo a través del cual la luz a cada longitud de onda será dispersada de la
rejilla de difracción. Mientras más alta sea la densidad de líneas, mayor será el
ángulo de dispersión.
El ancho del slit es un determinante importante del rendimiento del
monocromador debido a que el ancho del slit controla la resolución de las
longitudes de onda adyacentes (figura 32). En la práctica la selección de ancho
de slit de operación involucra un compromiso desde que el slit también
controla la cantidad de luz que es transmitida por el monocromador. Si el slit
F u ndam entos
del
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es demasiado ancho, la producción de luz será alta y el ratio señal a ruido
puede ser excelente, pero la línea de resonancia puede no estar aislada de
otras líneas y la calibración puede resultar malamente curvada. De modo
inverso, si el slit es demasiado estrecho, la resolución puede ser excelente,
pero el ratio señal a ruido puede ser inaceptablemente pobre debido a la
reducida producción de luz.
linea de resonancia
linea de resonancia
linea de resonancia
línea
adyacente
I___ I
I_________________ I
slit demasiado
estrecho
slit óptimo
slit demasiado
ancho
ruido
cun/atura de
calibración
ruido
Figura 32. Ancho del slit, linealidad de calibración
y razón señal-ruido
Figura 32. Ancho de slit, linealidad de la calibración y ratio señal/ruido
F u ndam entos
del
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C A P Í T U L O VIII
S ISTEM A S Ó P T I C O S
8.
S
is t e m a s
8.1
Ó
p t ic o s
S istem a s Ó p t ic o s
En los espectrómetros de absorción atómica, el propósito básico del
sistema óptico es colectar luz de la fuente, dirigirla a través de la población de
átomos a analizar, y luego dirigirla al monocromador. Las configuraciones
ópticas pueden ser de rayo único o doble; se pueden usar lentes o espejos
como elementos acoplantes. El sencillo sistema de espejos de rayo único
ilustrado en la figura 33 se usa en muchos instrumentos. El segundo espejo
enfoca la imagen de la lámpara de cátodo al centro de la llama (u otra celda de
atomización). El tercer espejo enfoca esta imagen a su vez a un espejo plano
donde el rayo es doblado y pasado al slit de entrada del monocromador.
Puede usarse lentes para lograr el mismo efecto, tal como se muestra en la
figura 34.
Figura 33. Sistema de espejos de rayo único
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i -
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F undamentos
del
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En la configuración de rayo único mostrada, la luz de la fuente solo
atraviesa una vía -a través de la flama. En este sistema es necesario medir la
intensidad inicial de la línea de resonancia lo antes de insertar la muestra y
medir la intensidad transmitida I t . El sistema de rayo único asimismo depende
de que la fuente de luz permanezca estable durante el periodo de análisis, esto
es, la intensidad l0 no debería variar o fluctuar mientras se esta midiendo lT.
Con las lámparas de cátodo hueco modernas lo generalmente permanecerá lo
suficientemente estable después de un periodo de calentamiento. Sin embargo,
existen algunas circunstancias analíticas donde cualquier ligera variación será
inconveniente.
Figura 34. Sistema de lentes de rayo único
Un sistema de rayo doble tal como el ilustrado en la figura 35 esta
diseñado para corregir cualquier variación en lo- La luz de la fuente es dirigida
a un divisor de rayos consistente en una placa de cuarzo parcialmente
aluminizada. El rayo de la muestra es enfocado por el espejo Mi, pasa a través
de la flama, y es dirigido al slit de entrada del monocromador a través de
espejo M2 y el espejo plano M3. El rayo de referencia que pasa a través del
divisor de rayos es dirigido al slit de entrada del monocromador por un
segundo conjunto de espejos tal que este rayo ingresa al monocromador sin
pasar a través de la flama. Un espejo reflectante rotatorio esta localizado cerca
al slit de entrada al monocromador donde este alternativamente interrumpe al
rayo de la muestra para dirigir el rayo de referencia al monocromador.
Así, las intensidades lo e lT son medidas en forma separada a alta
frecuencia. Para lo esta alta frecuencia de medición proporciona un monitoreo
cercano a lo continuo de modo que las correcciones por variaciones en
intensidad pueden aplicarse instantáneamente. Mientras que el ratio Io :It se
calcula en forma electrónica, el cálculo puede corregirse en forma continua
para variaciones en lo y el resultado analítico final no será afectado por
variaciones en la intensidad de la fuente.
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F undamentos
del
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b s o r c ió n
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t ó m ic a
Figura 35. Sistema de rayo doble
8.2
C o r r e c c ió n d e l B a c k g r o u n d
La interferencia por background ocurre
cuando la radiación de la
lámpara de cátodo hueco es atenuada por especies moleculares o partículas
sólidas en la zona de observación (flama u horno).
8 .2.1
C o r r e c c ió n c o n L á m p a r a d e D e u t e r io
La corrección para esto es relativamente simple con la ayuda de
una fuente continua (usualmente una lámpara de deuterio). Mientras
que la señal obtenida cuando se usa una lámpara de cátodo hueco es la
absorbancia total (la suma de la absorción atómica y la absorción por
background), la señal obtenida de la lámpara continua es sólo la
absorción por background. En los sistemas ¡lustrados en las figuras 36 y
37, la configuración óptica es tal que la radiación de las lámparas de
cátodo hueco y continua coinciden precisamente a lo largo del haz
óptico a través de la zona de observación. La señal de background es
subsecuentemente sustraída electrónicamente de la señal de
absorbancia total y el resultado analítico es así corregido para
interferencia por background.
Señal de lámpara de cátodo hueco
= absorción atómica + background
Señal de la lámpara de deuterio
= solo background
Señal electrónica procesada
= solo absorción atómica
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F undam entos
del
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En el sistema de rayo doble ilustrado en la figura 37, la radiación
de la fuente continua atraviesa la misma muestra y vías de referencia
como lo hace la radiación de la lámpara de cátodo hueco. Las
intensidades de ambas fuentes pueden así ser monitoreadas en forma
concurrente. Cualquier variación en la intensidad de alguna de las
fuentes puede ser corregida en forma automática para así mantener la
precisión de la corrección por background.
Figura 36. Sistema de rayo único con corrector por background
Figura 37. Sistema de rayo doble con corrector por background
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58
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F undamentos
del
8.2.2
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A t ó m ic a
C o r r e c c ió n c o n E f e c t o Z e e m a n
El efecto Zeeman, mediante el cual las líneas de emisión de los
átomos se dividen bajo la influencia de un campo magnético, se origina
en la interacción
del campo magnético externo con el momento
magnético
de los átomos emisores (efecto Zeeman directo) o
absorbentes (efecto Zeeman inverso). Para la corrección del
background mediante este efecto, el magneto puede estar montado ya
sea en la fuente de radiación o en el atomizador; el campo magnético
puede ser orientado
ya sea paralelo o perpendicular al rayo de
radiación, y puede aplicarse un campo magnético constante o
alternante.
Estas
posibilidades
dan
hasta
ocho
diferentes
configuraciones, entre estas opciones para la corrección d e l'
background por efecto Zeeman, la óptima es la corrección del
background con un campo longitudinal alternante en el atomizador.
8.2.3
C o r r e c c ió n c o n C o r r ie n t e P u l s a n t e A l t a
Esta técnica se basa en la fuerte ampliación de la línea y la
auto-reversión de las líneas de resonancia observadas en las H C L a
altas corrientes de operación. Se mide la absorción total a corriente de
operación normal y así se tiene el perfil de línea normal, mientras que
el background se mide próximo a la línea analítica con el perfil
fuertemente ampliado causado por la corriente pulsante alta.
En muchos aspectos la corrección por background con
corriente pulsante alta tiene gran similaridad a la corrección por efecto
Zeeman con el magneto en la fuente. Ambos sistemas operan con una
fuente, en ambos sistemas la línea analítica es ‘dividida’ de modo que la
atenuación por background se mide próximo a la línea analítica, y el
rendimiento de ambos sistemas
es fuertemente dependiente del
comportamiento de la fuente de radiación bajo las especiales
condiciones prevalecientes.
8 .3
L entes
La longitud focal de un lente varía con la longitud de onda debido a que
el índice de refracción es dependiente de la longitud de onda y cambia en
forma aguda debajo de 300 nm. En los sistemas ópticos que emplean lentes, no
es conveniente recolocar los lentes, flama o lámpara de cátodo hueco cuando
se cambie la longitud de onda, y es práctica usual diseñar los lentes de modo
que estén enfocados a una longitud de onda seleccionada y acepte algunas
pérdidas ocurridas en otras regiones del espectro. El sistema de lentes para
absorción atómica esta normalmente enfocado en el ultravioleta debido a que
la mayoría de longitudes de onda de interés analítico caen dentro de este
rango y debido a que el índice de refracción medio ocurre aproximadamente a
250 nm.
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F undam entos
del
A n á l is is
por
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Figura 38. Variación del índice de refracción con la
longitud de onda en el cuarzo claro
Figura 38. Variación del índice de refracción con la longitud de onda para el
cuarzo claro
Los lentes son usualmente fabricados de vidrio de sílice de alta calidad
que proporciona buena transmisión óptica sobre el rango de longitudes de
onda de 190 nm a 900 nm. Las únicas pérdidas significativas son causadas por
reflexión en cada superficie aire-lente. Esto es comúnmente cerca del 7% de
cada superficie o cerca de 15% para cada lente en el haz óptico.
Los lentes fabricados de vidrio que tienen menor calidad óptica que el
vidrio de sílice puro muestran mayores pérdidas especialmente debajo de 250
nm. Pérdidas similares en la región de baja longitud de onda pueden ocurrir
también si los lentes están recubiertos por polvo o grasa.
8.4
E spejos
El foco no varía con la longitud de onda cuando se usan espejos. En los
sistemas de reflectividad total de uso común, pueden usarse espejos planos
para doblar el rayo óptico donde sea necesario, y pueden usarse espejos
curvados como elementos enfocantes para formar imágenes en puntos
apropiados a través del sistema. Pero, aún cuando el foco no varíe con la
longitud de onda, el diseño del espejo para elementos enfocantes puede
presentar otros problemas. La geometría de los sistemas reflectivos requiere
que los enfocantes sean usados en ángulos fuera de eje. En esta circunstancia el
espejo cóncavo esférico sufre severamente de astigmatismo y las imágenes
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F undamentos
del
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A t ó m ic a
pueden ser distorsionadas en forma grosera. Esta distorsión solo puede ser
evitada usando espejos toroidales, esto es, espejos que tengan diferente radio
horizontal y vertical.
Los espejos invariablemente tienen su superficie frontal recubierta con
aluminio por deposición en vacío.
Un
recubrimiento de aluminio
adecuadamente controlado tiene una reflectividad superior al 90% sobre el
rango íntegro de longitud de onda de 190 nm a 900 nm. El recubrimiento de
aluminio es extremadamente delgado (1.5 x 10 3 mm) y puede ser fácilmente
dañado aún por un paño suave. Los humos químicos pueden también atacar el
recubrimiento y aún una huella digital puede causar daño irreparable. El
delicado aluminio puede ser protegido cubriéndolo con películas evaporadas
de materiales tales como sílice o fluoruro de magnesio y esto puede también '
dar una ligera mejora en la reflectividad.
F u ndam entos
del
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t ó m ic a
CA P ÍT U LO IX
D E T E C C I Ó N DE L A R A D IA C IÓ N
9.
D
e t e c c ió n
9.1
de la
R a d ia c ió n
E l F o to m u ltip lic a d o r
Los requerimientos de detección de radiación en A A S son cumplidos
por tubos fotomultiplicadores de banda amplia. Ningún otro dispositivo ofrece
la misma sensitividad sobre el rango de longitud de onda requerido para
análisis por absorción atómica. El tubo fotomultiplicador es un detector de
radiación en el cual la radiación incidente que cae en un fotocátodo causa la
emisión de electrones primarios (efecto fotoeléctrico exterior) los cuales son
liberados en el vacío circundante. Un electrodo adyacente se mantiene a un
potencial eléctrico positivo con respecto al cátodo y los electrones del cátodo
son atraídos al segundo cátodo. Este segundo electrodo es denominado un
dínodo.
Como resultado del voltaje de dínodo aplicado, cada electrón primario
es acelerado tan rápido que cuando incide en un dínodo se emiten de dos a
diez electrones secundarios, produciendo un efecto de cascada, proceso
multiplicador que da al fotomultiplicador su nombre, tal como se muestra en la
figura 39. Sin embargo, existen límites al voltaje que puede ser aplicado, desde
que esto conlleva a una corriente oscura más alta y así a ruido incrementado.
En casos extremos los dínodos pueden saturarse. El fotomultiplicador produce
entonces una señal eléctrica que es proporcional a la intensidad de la luz a la
longitud de onda que ha sido aislada por el monocromador. Esta señal eléctrica
es luego amplificada y usada para proporcionar una medida cuantitativa de la
absorción.
Los fotomultiplicadores tienen por lo general de nueve a trece etapas
de dínodo y la corriente del electrón generada en el cátodo puede ser
multiplicada para producir una amplificación integral de corriente de hasta I08.
Así, las intensidades de luz que se obtienen en los instrumentos de absorción
atómica conducen a una corriente eléctrica de magnitud útil que puede ser
posteriormente ampliada para proporcionar la medición cuantitativa requerida.
El potencial aplicado a los dínodos es usualmente derivado usando una
cadena de resistores para dividir un potencial integral que oscila de 300 a 1000
voltios en
etapas iguales. Sí, por ejemplo, el potencial a través del
fotomultiplicador es 900 voltios y existen nueve dínodos, el primer dínodo
tendrá un potencial de 100 voltios, el segundo dínodo 200 voltios, etc. La
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62
-
F undam entos
del
A
n á l is is p o r
A
b s o r c ió n
A t ó m ic a
ganancia del proceso fotomultiplicador puede ser variada sobre un rango
amplio ajustando este potencial, y esta técnica es comúnmente usada para
ajustar la magnitud de la señal así como para hacer coincidir la sensitividad del
amplificador.
Desde que la señal de salida es tan extremadamente sensitiva a los
cambios en el voltaje aplicado, la estabilidad y libertad del ruido de esta fuente
son especialmente importantes. En los instrumentos modernos de A A S se usan
mayormente microprocesadores para regular y controlar el voltaje aplicado.
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-
Fundamentos
9.2
del
A
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t ó m ic a
C a r a c t e r ís t ic a s d e l
F o t o m u l t ip l ic a d o r
Las características más importantes de todos los detectores
fotoeléctricos son la sensitividad espectral, la eficiencia cuántica, el rango
utilizable de longitud de onda, el rango lineal, el ratio señal-ruido, el tiempo de
respuesta y la corriente ‘oscura’.
A.
Sensibilidad Esp ectral
La sensibilidad espectral R(/.) es dada por el ratio de la señal de salida a
la señal de entrada. El requisito más importante de los detectores A AS es una
alta sensibilidad espectral sobre el rango íntegro de longitud de onda con una
sensibilidad máxima en el ultravioleta lejano (aprox. 200-300 nm).
B.
Eficiencia C u án tica
La eficiencia cuántica r] es el ratio del numero de entidades cargadas
emitidas al numero de fotones incidentes. La sensibilidad espectral y eficiencia
cuántica están relacionadas por:
R(/.)hc
n = ...........
e/.
donde h es la constante de Planck, c es la velocidad de la luz y e es la carga
elementaría.
C.
Rango U tilizab le de Longitud de O nd a
Es el rango en el cual la sensibilidad espectral no cae debajo de un valor
estipulado. El valor más bajo que puede ser estipulado para la sensibilidad
relativa esta limitado por el ruido. En A A S la sensibilidad espectral en el rango
de 190 nm a 860 nm debería ser la menos dos o tres órdenes de magnitud
sobre el ruido.
D.
Rango Lineal o Rango D in ám ico
Es el rango donde la señal de salida del detector es proporcional a la
potencia de radiación incidente dentro de un valor limite estipulado. La
no-linealidad esta dada por:
R(z)-R(z0)
N L = ...............
R(zo)
donde R(z) es la sensibilidad al valor z y R(zo) es la sensibilidad al valor de
referencia Z 0. En AAS es necesario un rango de I06.
E.
Ruido
Es considerado como todas las variaciones arbitrarias causantes de que
una señal eléctrica de salida sea superpuesta a la señal de medición. La
distribución de ruido contra la frecuencia se describe como el espectro del
ruido. El ruido que es independiente de la frecuencia es denominado ‘ruido
blanco’. Los componentes más importantes del ruido son el ruido 'fíicker' de
baja frecuencia y el ruido ‘shot’. Estos componentes resultan de una serie de
procesos aleatorios independientes, tal como la emisión de electrones de un
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F undam entos
del
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t ó m ic a
fotocatodo. El ruido shot comprende el ruido del fotón y el ruido de la
corriente oscura.
F.
C o rrie n te O sc u ra
La corriente oscura es la suma de todas las corrientes que fluyen sobre
los electrodos cuando no incide radiación sobre el fotocátodo. El ruido es
mayormente citado como el valor efectivo de una cantidad eléctrica,
usualmente la corriente. Este es equivalente a desviación estándar. El ratio de
la medida para la señal a la medida para el ruido es denominado ratio
señal-ruido. Este ratio es especialmente adecuado para caracterizar un
detector de radiación en cuanto a la medida de una potencia radiante baja. En
A A S debe ser posible medir en forma confiable cambios en la señal de
absorbancia de por lo menos AA=0.00l.
G.
T ie m p o de R esp uesta del D e te c to r
Este consiste en el tiempo de elevación y el tiempo de caída, es decir el
tiempo en el cual la señal de salida alcanza una fracción estipulada del valor
final (p.e. 90%) y el tiempo en el cual la señal cae de nuevo a una fracción
estipulada del valor final (p.e. 10%). El tiempo de respuesta es de especial
importancia en G F A A S con respecto a señales dependientes del tiempo. En
A A S el tiempo de respuesta debe estar en el rango de milisegundos.
- 65
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F undam entos
del
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CA PÍTU LO X
S IS TE M A S DE L E C T U R A
I 0.
S
is t e m a s d e
L
ectura
El sistema de lectura de un espectrómetro de absorción atómica es '
simplemente el medio donde las señales eléctricas del fotomultiplicador son
traducidas a lecturas instrumentales correspondientes al resultado analítico.
El sistema más simple consiste en un amplificador para elevar la salida
del fotomultiplicador, y un medidor simple con una escala adecuada. El
fotomultiplicador produce una señal D C que es proporcional a la intensidad l0
de la línea de resonancia aislada por el monocromador. Cuando los átomos
analitos se introducen en la zona de observación, la intensidad de la línea de
resonancia es reducida a lT y la señal D C producida por el fotomultiplicador
es reducida en forma proporcional. Los dos voltajes amplificados
correspondientes a l0 e lT son medidos para determinar su ratio. El logaritmo
de este ratio es derivado electrónicamente, y el resultado es presentado en el
medidor como la absorbancia de la muestra.
El problema fundamental con este sistema básico es que la señal final
contiene componentes que no son analíticamente válidos. Estos componentes
no válidos se originan de corriente 'oscura' dentro del fotomultiplicador (esto
es, corriente que fluye en ausencia de luz), y la corriente D C causada por luz
de fuentes diferentes a la lámpara de cátodo hueco (por ejemplo luz emitida
por la flama). Claramente, si estos componentes inválidos no son diferenciados
de las señales analíticas significativas el resultado analítico será equivocado.
Para evitar esto, las señales analíticas válidas son ‘codificadas’ por un sistema
que modula luz desde la lámpara de cátodo hueco y ‘decodifica’ las señales del
fotomultiplicador por demodulación síncrona en el amplificador. Desde que las
señales no válidas no están ‘codificadas’ ellas son efectivamente rechazadas
por el sistema y solo son aceptadas las señales analíticas válidas.
Estos conceptos relativamente simples han proporcionado sistemas de
lectura confiables por muchos años. Pero la aparición del microprocesador y
su tecnología asociada ha conducido a un desarrollo extensivo de
procesamiento de señales y sistemas de lectura. En los instrumentos
contemporáneos, los microprocesadores y los programas de computadora
proporcionan un método más elegante de codificar y decodificar las señales
analíticas válidas. En instrumentos de rayo doble, el microprocesador
proporciona un utilidad de tiempo compartido que controla el tiempo del rayo
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-
F undamentos
del
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t ó m ic a
doble, monitorea la intensidad de los rayos de referencia y de muestra, y en
forma similar monitorea la intensidad de la lámpara correctora de background.
Este medidor simple ha sido reemplazado universalmente por sistemas
de lectura digital que incorporan integración electrónica de modo que los
resultados analíticos son presentados al operador en una forma simple y
sencilla de leer, la cual elimina el sesgo del operador. Los resultados analíticos
pueden obtenerse como mediciones simples de absorbancia, o pueden ser
presentadas directamente como valores de concentración. Asimismo el gráfico
de calibración también es presentado.
Generalmente, no es necesario una comprensión detallada del proceso
electrónico involucrado para el analista práctico desde que este proceso es*
automáticamente monitoreado y controlado dentro del instrumento. Sin
embargo, existe un aspecto del procesamiento de señales sobre el cual el
analista necesita ejercer algún control. Este es el proceso de integración y se
considera útil una breve descripción del proceso de integración de señales:
Con la atomización por flama, se experimenta en forma continua una
ligera variación en la magnitud de la señal mientras se aspira la muestra. Con
los sistemas simples de medición, estas variaciones se observan como un
movimiento continuo de la aguja, lo cual hace dificultoso leer el resultado con
certeza. Para controlar los efectos de estas variaciones, los instrumentos
anteriores emplearon un sistema de retraso capacitivo para hacer lenta la
respuesta del medidor y así hacer más fácil la lectura.
Los sistemas digitales son también afectados por variaciones menores
en la magnitud de la señal, pero en estos sistemas las variaciones son
observadas como rápidos cambios en los valores numéricos displayados. Para
contrarrestar esto, se emplea la técnica de integración electrónica. En este
proceso, las señales individuales son colectadas electrónicamente y
almacenadas sobre un período seleccionado (usualmente unos pocos
segundos) después de las cuales son electrónicamente ‘promediadas’ con
respecto a la magnitud y al tiempo. El valor derivado es entonces presentado
como un valor numérico estable sobre el display digital. El grado al cual este
método mejora la ‘precisión de lectura’ esta gobernado por el número de
segundos sobre el cual se integra la señal, y la mayoría de instrumentos
permiten al analista seleccionar el período de integración más adecuado bajo
las circunstancias particulares de análisis.
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C A P Í T U L O XI
A N Á L IS IS C U A N T I T A T I V O
I I.
A
n á l is is
C
u a n t it a t iv o
Las bases teóricas de la espectrometría de absorción atómica conducen
a la predicción que la absorbancia medida se incrementará en forma lineal con
el incremento de concentración del analito de conformidad con la le/ de Beer.
A bajas concentraciones esta predicción generalmente se cumple y la
absorbancia se incrementa casi linealmente con la concentración del analito. A
medida que la concentración se incrementa, sin embargo, la correlación se
vuelve crecientemente curvada. Tradicionalmente, la forma de esta curva ha
sido determinada experimentalmente para cada análisis. Se obtuvieron
mediciones de absorbancia para estándares de concentración conocida, y la
concentración de analito en la muestra se obtuvo por interpolación en la
curva. En los análisis de rutina ya no se requiere este método gráfico debido a
que los instrumentos pueden ser calibrados para proporcionar
medidas
directas de concentración en unidades seleccionadas por el operador. Sin
embargo, el método gráfico es todavía una ayuda valiosa para establecer rangos
óptimos de trabajo y parámetros instrumentales cuando se desarrolla o
investiga un método analítico.
Pero, la linealidad de la calibración no es el único asunto de importancia
analítica. En el análisis práctico se necesita conocer las capacidades del
espectrómetro. Para propósitos de comparación se usan tres parámetros para
describir el rendimiento analítico de un espectrómetro de absorción atómica.
Los tres intentan caracterizar el rango útil de medición del instrumento para
cada elemento, estos son:
I I.I
I l.l.l
P a r á m e t r o s d e l R e n d im ie n t o A n a l ít ic o en
AAS
C o n c e n t r a c ió n C a r a c t e r ís t ic a
Esta es definida como la concentración, en solución, del
elemento a ser determinado que producirá un cambio, comparado a
una solución blanco, de 0.0044 unidades de absorbancia (es decir 1% de
absorción) en la transmisión óptica del vapor atómico a la longitud de
onda de la radiación usada. Debe notarse que diferentes instrumentos
producirán diferentes concentraciones características. Sobre un
instrumento dado, sin embargo, habrá poca variación día a día siempre
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que las condiciones de operación no se cambien y se optimicen las
condiciones instrumentales.
La concentración característica es fácilmente medida y puede
también ser usada como un chequeo conveniente de que el
instrumento esta operando correctamente. También posibilita un
cálculo de la absorbancia que será producida por una concentración
particular de un elemento dado.
En la práctica un gráfico de calibración se deriva de mediciones
de una serie de soluciones estándar. Usando la porción matemática
lineal del gráfico se tiene la absorbancia ‘A ’ dada por la concentración
‘C ’. Luego, la concentración característica = C * 0.0044 / A
Nótese que la capacidad de un horno de grafito es comúnmente
especificada como el peso típico de un elemento que produce una
altura de pico de absorbancia 0.0044. En este contexto, el término
concentración característica debe siempre estar relacionado al volumen
total de solución depositado en el horno.
Límite de Detección
El límite de detección es aquella concentración que puede ser
detectada con 95% de confianza. Esta es la concentración que da una
absorbancia igual a dos veces la desviación estándar de una serie de
medidas en, o cerca, del nivel de blanco.
El valor práctico del límite de detección se debe a que indica la
concentración a la cual se pueden hacer mediciones útiles. Desde que
el límite de detección es la concentración que da una desviación
estándar relativa de 50%, es obvio que no es posible hacer mediciones
precisas a este nivel. Pero, a 10 veces el límite de detección, la
desviación estándar relativa debería ser 5% lo cual establece el límite
inferior de medición útil.
I 1.1.2
R a n g o d e T ra ba jo
Este es el rango de concentración del elemento a analizar que
produce valores adecuados de absorbancia para análisis prácticos. Es
imposible ser específicos al definir este rango desde que las necesidades
analíticas varían en forma considerable. Generalmente, sin embargo, el
rango de trabajo debería yacer entre 0.100 y 0.800 de absorbancia
desde que esta es la región de óptima precisión óptica. Pero pueden
hacerse mediciones útiles a absorbancias más bajas, y el rango integral
de trabajo puede extenderse a un límite inferior que es cerca de 10
veces el límite de detección.
El cálculo del rango de trabajo es simple para análisis por flama:
Los fabricantes del instrumento usualmente indican la concentración
característica que puede esperarse para cada elemento en solución
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acuosa. Este valor puede entonces ser usado para establecer un rango
nominal de trabajo para el elemento de interés.
Desde que por
definición la concentración característica produce una absorbancia de
0.0044, una simple multiplicación por 100 da la concentración
requerida para obtener una absorbancia de 0.44 (cerca de la mitad del
rango óptimo). Una vez que se ha establecido esta 'marca de
rendimiento’, es solo asunto de calcular el rango integral de trabajo
junto con algún factor de concentración o dilución que puede ser
necesario para una situación analítica especifica. En situaciones donde la
muestra es complicada o cuando se conoce poco acerca de la
concentración de la muestra, puede ser necesario establecer el rango
de absorbancia por ensayo-error, y es buena práctica producir un
gráfico de calibración inicial antes de diseñar la rutina analítica final.
Para análisis por horno, la situación es un poco diferente.
Inicialmente se señaló que la capacidad de concentración característica
de un horno de grafito está completamente vinculada al volumen de
solución empleada. Suponga, por ejemplo, que un horno requiere un
peso total de 20 pg de analito para producir una absorbancia de pico
de 0.0044. Ahora si este peso total de analito se obtuvo inyectando 20
pL de solución con una concentración de 1.0 ng/mL entonces es obvio
que la concentración característica es 1.0 ng/mL para un volumen de 20
pL. Pero, el mismo peso total de analito (20 pg) podría obtenerse
inyectando 100 pL de solución con concentración de 0.2 ng/mL. Esto
implica que el analista debe siempre tomar el volumen de trabajo en
cuenta cuando establezca un rango de trabajo para concentraciones
prácticas.
Ajuste del Rango de Trabajo
Donde el rango de concentraciones de interés esta sobre el
rango de trabajo obtenible a las absorbancias prácticas, el analista
puede ya sea diluir todas la soluciones, o alterar la sensitividad
instrumental.
En el análisis por flama, la selección de longitudes de onda
alternativas (menos sensitivas), la rotación del quemador a lo largo del
haz óptico, o ambas acciones permitirá que puedan hacerse
determinaciones a concentraciones significativamente más altas tal
como se muestra en la tabla VI.
Tabla VI. Concentraciones de trabajo (Cobalto)
Posición del
Sensitividad Relativa
Rango de Trabajo
Quemador
(pg/m L)
Normal
240.7
1
0.06 - 15
304.4
16
1.0 - 240
Rotado 9 0 °
Long. de Onda (nm)
240.7
20
1.2 - 300
304.4
320
20 - 4800
-
70
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A t ó m ic a
En lo que respecta a los métodos de horno, el analista
usualmente busca mejores sensitividades para extender el rango de
concentración hacia abajo. Esto puede algunas veces lograrse
simplemente usando un mayor volumen de la solución de
concentración más baja. Si la máxima capacidad del horno excluye la
inyección del volumen total requerido, pude ser posible usar la técnica
de inyección múltiple. En este método, una alícuota de la solución es
inyectada al horno, esta alícuota es secada (o secada e incinerada) pero
no atomizada. Una alícuota posterior es inyectada y secada en forma
similar. Este procedimiento se repite hasta que el volumen total
requerido ha sido depositado en el horno. Luego se lleva a cabo la
secuencia de atomización.
I 1.1.3 E x a c t i t u d y
A.
P r e c is ió n
E x a c t it u d
Esta
observadas
es una medida
se
aproximan
de
al
cuan cerca las concentraciones
valor
verdadero
o
aceptado.
Numéricamente es la diferencia entre la media
X, de
un conjunto de
resultados y el valor X verdadero o aceptado.
La exactitud relativa esta dada por :
El porcentaje de exactitud es: 100 *
Es valioso señalar que el empleo del espectrómetro de
absorción atómica no es una garantía intrínseca de exactitud analítica,
aún cuando los criterios instrumentales son raramente los factores
limitantes. Los métodos de absorción atómica son comparativos, y la
precisión final dependerá básicamente de:
i.
Exactitud del procedimiento de colección de muestra. Es obvio que
la muestra colectada debe ser representativa del material original,
de otra manera el resultado analítico no será válido. Es también
importante evitar contaminación de la muestra en las etapas de
colección y preparación.
ii. La exactitud con que la muestra a analizar es recuperada del
material de muestra original.
iii. La exactitud con que se preparan las soluciones de calibración.
iv. La exactitud con la que se calibra el instrumento contra
las
soluciones estándar.
La única manera práctica de establecer una exactitud absoluta
de un método analítico es tomar material de composición exacta
conocida y analizarla mediante el método propuesto. Esto, por
supuesto, presupone que el método originalmente usado para
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determinar
la composición fue en sí mismo incuestionablemente
exacto. Existen
métodos de referencia establecidos
de exactitud
generalmente aceptada, y con frecuencia se usan comparaciones
interlaboratorios para obtener exactitudes relativas por diferentes
métodos. Tales comparaciones se usan algunas veces para establecer
composiciones
de concordancia para materiales de referencia
estándares. A bajas concentraciones, sin embargo, algunos métodos
clásicos muestran errores significativos que solo han sido revelados por
métodos instrumentales. Es claro entonces que los métodos usados
para establecer composiciones de los materiales de referencia necesitan
ser cuidadosamente consideradas antes que los resultados sean
aceptados como valores de referencia irrefutables.
B.
P r e c is ió n
Cuando una medida es repetida ‘n’ veces, es improbable que
todos los valores observados sean idénticos. La precisión analítica es
una medida de cuan cerca un valor observado puede ser reproducido.
Es convenientemente expresado como la desviación estándar ‘s’, o, más
usualmente el porcentaje de desviación estándar relativa, % RSD .
La desviación estándar es dada por:
% R SD es así 100 *
Estrictamente, la desviación estándar es absolutamente válida
sólo donde ‘n’ es infinitamente grande. Para propósitos prácticos en
absorción atómica, una desviación estándar es estadísticamente
aceptable donde ‘n’ se toma como una serie de por lo menos treinta
determinaciones .
La precisión analítica de todos los métodos de absorción
atómica depende de la interpolación precisa entre puntos de
calibración conocidos exactamente. En los análisis de flama y de horno,
factores tales como salida de luz estable y respuesta estable del arreglo
detector-amplificador no son usualmente factores limitantes desde que
ellos son rigurosamente controlados por sistemas electrónicos
modernos. En los análisis de flama la estabilidad del sistema de
atomización completa
es generalmente más importante que las
consideraciones electrónicas en determinar la precisión. Con
'sintonización' adecuada del sistema nebulizador-quemador, pueden
obtenerse con facilidad resultados con desviación estándar relativa de
I %. El limite de precisión disponible es cerca de 0 .1% (RSD).
En los atomizadores de horno, la precisión puede ser
influenciada por la reproducibilidad del programa de temperatura, la
repetibilidad de los mecanismos de disociación por la cual se genera la
población atómica, y la precisión del suministro.
-
«K'
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Fu ndam entos
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A n á l is is
por
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La precisión integral del método analítico puede ser limitada por
la precisión de los procedimiento de preparación involucrados- pesaje
y dilución, por ejemplo.
Al considerar la precisión analítica, es importante reconocer la
diferencia entre la precisión instrumental y la precisión atribuible a
otros factores.
La precisión instrumental es la precisión de las mediciones
duplicadas de la misma solución. La precisión atribuible a los
procedimientos de preparación está dada por las mediciones tomadas
de soluciones duplicadas que son preparadas separadamente mediante *■
procedimientos idénticos.
Aplicación Práctica del % R S D
En la operación práctica, el concepto de % R S D es relativo al
nivel de valores que son leídos en el equipo de absorción atómica. Esto
implica que un valor de % R S D adecuado para una concentración dada
de solución, no lo será para una solución con diferente concentración
(usualmente menor). Veamos el siguiente ejemplo:
Disponemos de tres soluciones denominadas pregnant, relave y
barren, con concentraciones de 3.143, 0.120 y 0.022 ppm de Au
respectivamente. En la tabla VII apreciamos los valores leídos, así como
su % R SD respectivo, nótese que el valor de la solución relave es
bastante aceptable aun cuando su % R S D es mucho mayor que el de la
solución rica. Asimismo puede considerarse que el valor leído de la
solución barren también es adecuado a pesar que su % R S D es muy alto
(de hecho, el valor H IG H que implicaría una lectura inadecuada de una
solución rica no implica lo mismo para una solución barren).
Tabla VII. Valores Leídos de Soluciones de Au
Solución
Valor 1
Valor 2
Valor 3
Valor 4
V.Prom
Conc.
%RSD
(ppm)
0.1894
3.143
1.63
Rica
0.1884
0.1888
0.1892
0.1914
Relave
0.0079
0.0080
0.0071
0.0066
0.0073
0.120
8.33
0.0020
0.0015
0.022
HIGH
Barren
0.0003
0.0011
0.0026
Para explicar esto, consideremos que el error relativo de dos
muestras de muy baja concentración (por ejemplo 0.01 y 0.02 ppm)
es (0.01-0.02)/0.01 = -100%. Si consideramos el error relativo de dos
soluciones de baja concentración (por ejemplo 0.12 y 0.13 ppm), este
será (0.12-0.13)/0.12 = -8.33%. En el caso de soluciones de
concentración alta (por ejemplo 3.56 y 3.57 ppm), el error relativo será
(3.56-3.57)/3.56 = -0.28%.
-
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f
F undam entos
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t ó m ic a
Esto quiere decir que la diferencia entre las concentraciones
(que tiene un valor absoluto de 0.01 ppm en los tres casos) implica
diferentes errores relativos y por ende diferentes % RSD , aún cuando
podemos considerar válidos los tres valores leídos.
Los conceptos de exactitud y precisión son ilustrados por las
figuras 40, 4 1 y 42.
La figura 40 ilustra buena precisión pero pobre exactitud. Los
resultados están cercanamente agrupados alrededor de un valor
promedio que esta lejos del valor verdadero. En la figura 41 el
promedio resulta que es el valor verdadero pero la precisión analítica
es pobre. La figura 42 es un ejemplo de buena precisión combinada con ,
buena exactitud. Aquí los resultados están cercanamente agrupados
alrededor del valor verdadero.
il
■ ■
■
■ .
valores observados
valor
verdadero
Figura 40. Buena precisión; pobre exactitud
Figura 40. Buena precisión; exactitud pobre
■ ■
m
"
■
■
■
■
■
.
valores observados
"
■
■
valor
verdadero
■
Figura 41. Pobre precisión
Figura 4 1. Precisión pobre
-
74
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\
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v a lo re s o b s e rva d o s
—
T
■ . 1■ ■
va lo r verd ad ero
Fig u ra 42. B u e n a p recisió n ; buena exactitud
Figura 42. Buena precisión; buena exactitud.
I 1.2
A n á l i s i s C u a n t i t a t i v o I:
A t o m iz a c ió n p o r F l a m a
La gran ventaja de los métodos de flama es que la operación del
instrumento es simple y universal. Para un instrumento dado, todos los
elementos pueden ser determinados con el mismo procedimiento básico. Las
diferencias entre instrumentos de diferentes fabricantes pueden afectar el
rendimiento, pero el procedimiento de operación es similar para todos los
instrumentos. Una vez que el instrumento ha sido parametrizado y optimizado
solo es necesario introducir el blanco, los estándares y muestras en la flama, y
registrar los resultados. La precisión analítica es excelente; con cuidado puede
lograrse 0.5% (R.SD); pueden determinarse en forma rutinaria 67 elementos. La
velocidad analítica máxima es cerca de 20 muestras por minuto.
Condiciones de la muestra: Determinación por Flama
♦
♦
Líquida o disuelta
Menos de 5% de sólidos disueltos (preferiblemente menos de 2%)
♦
Químicamente adecuado para descomposición térmica simple.
♦
En el rango apropiado de concentración
♦
Disponible al menos en cantidad de I mL.
I 1. 2 . 1 E s t á n d a r e s
La absorción atómica es una técnica comparativa, en
consecuencia la ‘exactitud’ de las medidas cuantitativas depende mucho
de la ‘exactitud’
de los estándares empleados. Debe recordarse
también que ‘exactitud’ es este contexto es más que un asunto de
concentraciones exactas de sustancia a analizar. Este concepto también
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F undamentos
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n á l is is po r
A b s o r c ió n A t ó m ic a
incluye las propiedades físicas y químicas de todas las soluciones
empleadas en el análisis.
Para muchas determinaciones, las soluciones estándares acuosas
simples
serán
completamente
adecuadas.
Para muchas otras
determinaciones, sin embargo, las propiedades físicas
tales como
viscosidad, tensión superficial, y densidad afectarán la cantidad de
solución enviada a la flama. Si los estándares y las muestras no
coinciden en cuanto a estas propiedades, su respuesta analítica
comparativa puede ser diferente y la precisión de los resultados puede
ser degradada. Si los estándares y muestras no coinciden químicamente,
su comportamiento comparativo en la flama será diferente, y se
producirán las correspondientes imprecisiones. En todas estas »
situaciones, la exactitud y precisión final serán gobernadas por la
precisión en la concentración de los estándares y la precisión con la
que los estándares y muestras coinciden física y químicamente.
Para algunas muestras, será imposible preparar estándares que
coincidan en forma exacta debido a que no se conoce la composición
química de la muestra o es demasiado complicado reproducirla
artificialmente. En estas circunstancias puede ser necesario usar el
método de adiciones estándar.
Cuando se analiza una muestra en particular por primera vez, es
buena práctica comparar la calibración por adiciones estándar con el
procedimiento normal de calibración. Ploteando los dos conjuntos de
datos de calibración tal como se muestra en la figura 43, los gradientes
pueden ser fácilmente comparados. Si los gradientes de las dos líneas
son sustancialmente los mismos, puede asumirse que se puede usar el
método normal de calibración. Sin embargo, si los gradientes no son
los mismos, será necesario usar el método de adiciones estándar.
Figura 43. Comparación de la calibración normal y de adiciones
estándar.
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F undam entos
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a.
A
b s o r c ió n
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El número de estándares necesarios para calibrar el instrumento
variará de acuerdo a las circunstancias analíticas. Los lineamientos
son:
Cuando se desarrolla un método analítico, siempre prepare un
gráfico de calibración preliminar (curva de trabajo) de modo que la
linealidad de la calibración y rango de absorbancia sean evaluados
en forma adecuada.
b. Solo se necesita un estándar cuando el rango de trabajo esta
c.
estrictamente dentro de la porción lineal de la curva de trabajo.
Nótese que existe un caso especial cuando un estándar único es
siempre adecuado. Este es cuando se trabaja a una absorbancia de
0.01 o menor, pero donde la concentración de la muestra es al '
menos 10 veces el límite de detección.
Si la curva de trabajo no es lineal, pero la desviación de la linealidad
d.
es pequeña, deben usarse dos o tres estándares.
Se requiere el uso de cuatro o cinco estándares para máxima
e.
precisión cuando la curva de trabajo no es lineal, o cuando se
requiere el máximo rango de trabajo.
Cuando se usa múltiples estándares, siempre seleccione valores de
concentración tales que el rango de concentración íntegro esté
dividido en partes aproximadamente ¡guales.
I 1.2 .2
A d ic io n e s d e E s t á n d a r
En este método se minimizan la discordancias físicas y químicas
entre muestras y estándares debido a que los estándares son
preparados a partir de las muestras reales.
El método asume que el analito agregado será afectado por
interferencia del mismo modo y en la misma extensión tal como el
analito en la muestra. Esto generalmente es válido para interferencias
físicas. N o siempre es válido para interferencias químicas y en estas
situaciones la interferencia debería ser removida
por medios
adecuados (una flama más caliente, o un agente liberador, por ejemplo).
El procedimiento general es tomar varias alícuotas de muestra, y
luego agregar diferentes cantidades del elemento a analizar a cada
alícuota. Después de la dilución al volumen final, estas soluciones
forman un conjunto de estándares de diferente concentración. Una
alícuota es diluida sin ninguna adición del elemento a analizar. Las
cantidades de analito agregado se basan en la concentración esperada
de este en la muestra. En un esquema de adiciones típica, las adiciones
del analito son 50%, 100% y 150% de la concentración esperada.
El
resultado
analítico
puede
obtenerse
ploteando
las
absorbancias contra las concentraciones agregadas y extrapolando el
gráfico a cero tal como se muestra en la figura 44. En forma alterna, el
instrumento puede ser calibrado directamente contra las adiciones
F ú n d a m e ;. fo s
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A n á l is is
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estándar. El software incorporado calculará entonces una regresión
lineal por mínimos cuadrados a través de los puntos de calibración y
computará
la
concentración
de
muestra
directamente
por
extrapolación matemática.
Com o regla general, las adiciones estándar deben proporcionar
sustancialmente una calibración lineal desde que no puede obtenerse
una regresión precisa desde puntos de calibración no lineales. Es
esencial establecer una línea de base precisa desde el reactivo blanco
adecuado.
En las aplicaciones más comunes del método de adiciones
estándar, cada muestra debe ser analizada individualmente contra un*
conjunto de estándares que son específicos para esa muestra. Existen
algunas situaciones analíticas en las cuales un lote de muestras puede
ser analizado contra un conjunto de adiciones estándar, pero esto solo
es válido cuando todas las muestras en el lote son similares química y
físicamente.
Figura 44. Calibración por adiciones de estándar
I 1.2.3
S it u a c io n e s A n a l ít ic a s S im p l e s
Para muestras que son física y químicamente simples, es a
menudo suficiente disolver la muestra en agua o ácido y comparar la
solución directamente con los estándares en solución acuosa simple del
elemento a analizar. En tales matrices simples las interferencias son
improbables, siempre y cuando, por supuesto, que se observe en forma
adecuada la química ordinaria de la muestra.
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78
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Fu ndam entos
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b s o r c ió n
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t ó m ic a
I 1.2.4 M u e s t r a s C o m p l e j a s
El procedimiento de pretratamiento depende de la naturaleza
de la muestra, pero para análisis por flama debe seleccionarse un
método que proporcione una solución regularmente diluida (hasta con
5% de sólidos disueltos). La solución debería ser estable en el tiempo y
no debería contener grandes cantidades de sustancias que conduzcan a
interferencia química en la flama. Generalmente se prefieren las
soluciones ácidas debido a que los ácidos comunes están disponibles en
alta pureza, son relativamente fáciles de manipular y no incrementan el
contenido de sólidos de la solución. La mayoría de muestras
metalúrgicas y minerales son fácilmente disueltas en la mezcla ácida
adecuada.
Algunas veces el procedimiento de digestión será dictado por
los posibles efectos de las interferencias químicas. Si, por ejemplo, se va
a determinar calcio en la flama aire-acetileno, no debe usarse ácido
fosfórico debido a que los fosfatos deprimen la señal de absorción.
En algunas situaciones es útil un tratamiento posterior después
de la disolución de la muestra. Cuando debe realizarse una
determinación de trazas en la presencia de cantidades grandes de otro
elemento, por ejemplo, el constituyente principal debe ser removido
de la solución mediante extracción por solventes. En forma alterna, el
elemento a analizar por sí mismo puede ser selectivamente extraído y
el extracto usarse para el análisis.
1 1 .2 . 5
D e t e r m in a c ió n d e T r a z a s
La técnica de absorción atómica es extremadamente sensitiva,
pero algunas veces la concentración de analito en la muestra disuelta es
inconvenientemente baja y es dificultoso obtener resultados precisos.
Los instrumentos modernos tienen la facilidad de una expansión de
escala extensiva de modo que pueden medirse señales muy pequeñas
de absorción, pero para mejor precisión es a menudo útil
preconcentrar el elemento a analizar mediante métodos químicos.
Pueden usarse cualesquiera de los métodos tradicionales de
reconcentración, en la actualidad métodos tales como el intercambio
de iones y co-precipitación se están tornando comunes. Sin embargo
por conveniencia y velocidad, los métodos de extracción por solventes
son preferidos universalmente en AAS. Muchos elementos pueden
extraerse con facilidad de un gran volumen de solución en un volumen
mucho más pequeño de un solvente orgánico después de la reacción
con un reactivo quelante orgánico general tal como el ditiocarbamato
amonio pirrolidina (A P D C ) o 8-quinolinol. La sensitividad analítica es
mejorada en la matriz orgánica debido a que se mejoran las
características de nebulización, y si el volumen del solvente de
extracción es 1/10 del volumen de la muestra original, la señal puede
ser de 30 a 40 veces mayor después de la extracción. Estos métodos
\
F undam entos
del
A
n á l is is p o r
A
b s o r c ió n
A
t ó m ic a
son usados en forma rutinaria para determinaciones a muy baja
concentración; las soluciones estándar son extraídas en forma similar.
Puede usarse una amplia variedad de reactivos y condiciones; los
mejores solventes son los ésteres y cetonas. Los solventes clorados o
aromáticos interrumpen la flama y no son adecuados.
I 1.3
A n á l i s i s C u a n t i t a t i v o II:
A t o m iz a c ió n p o r H o r n o
Los análisis prácticos por horno no pueden llevarse a cabo para todos
los 67 elementos que pueden ser determinados por flamas químicas. Esto no
es debido a limitaciones de temperatura, sino más relacionados a los procesos
de descomposición química requeridos para la producción de ciertos átomos
de los elementos a analizar. La flama química contiene especies reactivas tales *
como C, C¡, CH, C N y N H , y estos tienen una fuerte influencia sobre la
disociación de los compuestos metálicos. El horno de grafito no produce
intrínsecamente esta variedad de especies reactivas, y la disociación de ciertos
compuestos metálicos es así imposible en ciertos atomizadores de horno
comerciales.
Por lo menos cuarenticuatro elementos, sin embargo, pueden ser
determinados a concentraciones y en rangos de trabajo que son típicamente
100 veces más bajos que aquellos que se pueden lograr por métodos de flama.
La precisión no es característicamente tan buena como la obtenible en flamas,
pero con un cuidado adecuado es posible lograr 1% (R SD ) bajo el supuesto
que las soluciones se dispensen en forma automática. Cuando las soluciones
son inyectadas con microjeringas operadas manualmente, el factor limitante es
usualmente la precisión con que se dispensa más que los criterios
instrumentales o del horno.
Estos resultados generalmente se obtienen usando
volúmenes de
solución que varían entre 20 y 50 pL. Pueden emplearse volúmenes
considerablemente mayores utilizando la técnica de inyección múltiple, y al
otro lado de la escala de volumen es posible obtener resultados precisos y
exactos usando volúmenes tan pequeños como I pL. La velocidad analítica es
generalmente cerca de I muestra cada dos minutos.
Condiciones de Muestra: Análisis en Horno
♦ Líquida, disuelta y preferiblemente homogénea.
♦ Químicamente adecuada para la separación térmica de la matriz y el
analito.
♦
En el rango adecuado de concentración.
Algunos diseños de horno posibilitan al analista usar muestras sólidas.
Pero se requiere un alto grado de habilidad para obtener precisión y exactitud
satisfactoria, y la dificultad de obtener una muestra representativa en pequeña
cantidad es usualmente el factor limitante.
I 1.3.1
In t e r f e r e n c ia s F ís ic a s
-
80
-
F undamentos
del
A
n á l is is p o r
A
b s o r c ió n
A t ó m ic a
Efectos de viscosidad y tensión superficial
Las determinaciones por horno
pueden ser afectadas
físicamente por diferencias en viscosidad y tensión superficial entre los
estándares y las muestras. Tales interferencias físicas en situaciones
analíticas simples pueden ser menores y no significativas. En situaciones
más complicadas estas pueden ser relativamente severas. Los métodos
de horno son intrínsecamente microcuantitativos y pequeñas
variaciones en las propiedades físicas pueden tener una gran influencia
sobre el resultado final. Esto sólo puede ser contrarrestado mediante
una coincidencia física entre estándares y muestras.
Estas interferencias pueden ocurrir de dos maneras:
i. Prim ero, la solución más viscosa (aceites y algunos materiales
biológicos, por ejemplo) tienden a adherirse a la pipeta y una
proporción significativa no llegará al horno. Las soluciones más
dóciles, de otro lado, pueden moverse hacia fuera de la pipeta, y
nuevamente una proporción significativa no llegará al horno.
Algunas soluciones a altas concentraciones ácidas (20% o 50%) y
algunos solventes orgánicos son ejemplos de este fenómeno.
ii. Segundo, la extensión a la cual las soluciones se esparcen sobre la
superficie interior del horno es función de la viscosidad y
características de humectación. Las diferencias en esparcimiento
pueden afectar en forma significativa la señal de absorción debido a
que el tiempo de residencia de los átomos dentro de la zona de
observación variará dependiendo de cuan lejos del centro ocurra la
atomización.
1 1 .3 . 2
A b s o r c ió n po r B a c k g r o u n d
En las flamas químicas, la absorción por background
generalmente no es común, es raramente significativa a longitudes de
onda mayores de 240 nm, y la señal de background raramente excede
una absorbancia de 0.05. Sin embargo, en los análisis por horno la
absorción por background es mucho más común, puede ser significativa
a longitudes de onda de hasta 340 nm, y la señal de background puede
exceder 1.0 de absorbancia. Existen tres medidas disponibles para
superar esto: corrección simultánea, programación adecuada de la
temperatura y modificación química.
La corrección es conveniente, en los instrumentos modernos se
incorporan sistemas correctores simultáneos. Tales sistemas son
típicamente efectivos a longitudes de onda de hasta 400 nm, y
proporcion corrección precisa a absorbancias totales de alrededor de
1.5. Por supuesto, es esencial que las dos fuentes de luz sean
ópticamente coincidentes y las intensidades relativas deben estar
balanceadas. Generalmente, el alineamiento óptico es simplemente
asunto de ajustar los tornillos adecuados; la amortiguación de
81
F undamentos
del
A
n á l is is po r
A
b s o r c ió n
A
t ó m ic a
intensidades relativas de fuentes es usualmente controlado en forma
electrónica dentro del instrumento.
Siempre debe usarse la corrección simultánea
cuando se
desarrolla por primera vez un método de horno. Prim ero, para
averiguar si la absorción por background está o no ocurriendo.
Segundo, para obtener un resultado analítico válido y medir la señal de
background real si fuera necesario. Tercero , para monitorear la
efectividad de las otras medidas.
Es preferible utilizar la programación de temperaturas,
modificación química, o ambas, en vez de solo confiar en la corrección
por background.
En el contexto de la absorción por background, el objetivo de la
programación de temperatura es:
i.
Asegurar
que
el
material
matriz
que
causa
absorción
por
background sea removido previo a ala etapa de atomización sin
pérdida de analito; o,
ii. C rear un lapso de tiempo entre la señal del background y la del
analito de modo tal que las dos señales sean medidas y observadas
separadamente.
Se necesita un enfoque experimental metódico para obtener las
velocidades
de
calentamiento,
tiempos
y
temperaturas
que
proporcionen el secado, incinerado y atomización más efectivos. Las
señales de background y analítica deben mostrarse en la pantalla del
computador.
1 1 .3 .3
In t e r f e r e n c ia s Q u ím ic a s
Estas interferencias se originan de la formación de compuestos
que son ya sea excesivamente volátiles o excesivamente estables dentro
del ambiente del horno.
En aquellos compuestos que son excesivamente volátiles, se
pierde el analito a bajas temperaturas durante el secado durante el
secado o incinerado sin sufrir atomización. Si, por ejemplo, el analito
forma fácilmente un cloruro covalente, la presencia de exceso de iones
cloruro puede causar que el analito aparezca como un cloruro volátil
que se vaporizará antes que pueda ser descompuesto a la forma
atómica. La pérdida del analito de esta manera obviamente degradará la
sensitividad analítica, y puede necesitarse cuidado con elementos que
forman haluros volátiles. Una atención particular a la química original
de la solución puede a menudo evitar o minimizar el efecto. En forma
alterna, puede ser necesario utilizar un modificador químico.
- 82
-
F u ndam entos
del
A
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b s o r c ió n
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t ó m ic a
Pueden encontrarse interferencias cuando el analito forma dos
o más compuestos estables que finalmente se disocian a temperaturas
diferentes. En esta situación, el analito no se pierde durante el secado o
incinerado. Pero, la concentración atómica de interés asociada con dos
o más compuestos, y la señal atómica son disipadas entre múltiples
picos de atomización en vez de aparecer como una única respuesta
coherente. Para algunas muestras es posible evitar o minimizar la
interferencia revisando la química original de la solución. Para otras
muestras puede necesitarse un modificador químico para aislar el
analito en una forma específica y prevenir la formación de compuestos
interferentes.
Un caso extremo de estabilidad excesiva ocurre cuando el
elemento forma un carburo refractario. Esto puede degradar la
sensitividad analítica, ocasionar un ‘efecto memoria’ significativo, o
ambos. Los elementos tales como el bario, molibdeno, titanio y vanadio
formaran tales carburos con facilidad. Sin embargo, estos pueden ser
determinados con éxito en hornos de gráfico piroliticamente
recubiertos, desde que este recubrimiento reduce la tendencia a
formar carburos. O tros elementos tales como el tantalio, tungsteno y
zirconio son algo más dificultosos de determinar, mayormente debido a
la tendencia de estos a formar carburos no maleables aún en un
ambiente pirolítico.
1 1 .3 . 4
M o d if ic a c ió n Q u ím ic a
El modificador químico ideal es un reactivo que realiza las
siguientes funciones:
i.
Elevar la temperatura de atomización para prevenir la aparición
ii.
simultánea de señales de absorción atómica y de background.
Reducir la volatilidad del analito. Esto permite una mayor
temperatura de calcinado a usarse de modo que todo el material
que produce absorción de background es removido antes de la
etapa de atomización.
iii. Aislar el analito en una forma específica. Esto asegurará que
aparezca un único pico atómico en vez de los múltiples picos que
resultan de la descomposición de diferentes especies moleculares a
diferentes temperaturas.
1 1 .3 .5
E stán dares
El criterio aplicado a los estándares para análisis por flama se
aplica con igual énfasis a los métodos de horno. Los valores de
concentración deben ser exactos, y los estándares deberían ser química
y físicamente coincidentes con las muestras. Si es imposible hacer
artificialmente la coincidencia, será necesario usar el método de
adiciones estándar.
-
83
-
*
F undamentos
del
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b s o r c ió n
A t ó m ic a
Para aplicaciones de horno, se tiene la opción de obtener
absorbancia de calibración de diferentes volúmenes de una única
solución estándar más que usar un volumen constante de diferentes
concentraciones. Esto puede ser adecuado, pero el método debería ser
usado con discreción dado que diferentes volúmenes pueden exhibir un
comportamiento diferente en el horno (particularmente en la etapa de
secado).
1 1 .3 . 6
M uestras
Debido a las concentraciones extremadamente bajas del analito
involucradas, los análisis por horno demandan un cuidado exhaustivo en
la colección, almacenamiento y preparación de muestras. Debe evitarse .
la contaminación, y debe recordarse que la contaminación desde los
reactivos y aparatos es a menudo una consideración principal.
Una gran variedad de muestras líquidas puede analizarse
directamente en el atomizador del horno sin ningún pretratamiento
químico. Algunas veces es útil mezclar la muestra con ácido nítrico para
ayudar a la remoción de componentes orgánicos de la matriz durante la
etapa de secado.
Cuando es necesario el pretratamiento, varias consideraciones
afectan la elección del método. El analito debe ser recuperado
completamente, y la solución debe ser estable. Los reactivos deben ser
seleccionados de modo que no se formen compuestos volátiles que
involucren al analito, los cuales podrían perderse durante el secado y
el calcinado.
Las soluciones de ácido clorhídrico o perclórico son
inadecuadas para análisis de plomo o estaño, por ejemplo, debido a que
estos elementos forman cloruros volátiles los cuales se pierden antes
de la atomización. De otro lado, las soluciones de ácido sulfúrico y
fosfórico, que pueden causar problemas de interferencia en los análisis
por flama, pueden ser muy útiles para análisis por horno.
1 1 .4
A n á l is is C u a n t it a t i v o III:
G e n e r a c ió n d e V a p o r
Ocho elementos (antimonio, arsénico, bismuto, germanio, plomo,
selenio, estaño y telurio) pueden ser determinados por el método de
generación de hidruros. El mercurio es determinado por la técnica de vapor
frío. Para estos elementos, la generación de vapor es hasta 1000 veces más
sensitiva que la flama y hasta 10 veces más sensitiva que el horno. La
preparación de muestras requiere cuidado y habilidad, pero el análisis real es
simple. La precisión analítica es cerca de 5% (R SD ) lo cual no es tan bueno
como con flama u horno, pero aún mejor que otras técnicas a tales bajas
concentraciones. La naturaleza química
de las muestras digeridas es
importante, y algunas muestras son dificultosas de analizar sin separación
química. La velocidad analítica es cerca de I muestra por minuto.
- 84
-
F undam entos
del
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t ó m ic a
Condiciones de Muestra: Generación de Vapor
♦
Digeridas en solución ácida
♦
En el estado adecuado de oxidación
♦
Libre de interferentes químicos
♦
En el rango adecuado de concentración
Usualmente, los procedimientos analíticos son simples y se conocen
varios métodos. Cuando un método probado no ha sido documentado, será
necesario desarrollar un método que sea adecuado para muestras específicas.
Pueden necesitarse experimentos cuidadosos para establecer la solución
química más efectiva y puede necesitarse algo de ensayo-error para establecer
las condiciones óptimas.
El ácido clorhídrico es generalmente adecuado para la mayoría de
aplicaciones. Pueden usarse mezclas ácidas alternativas para algunos
ensayos-error requeridos para establecer condiciones óptimas. Debe evitarse
el ácido nítrico por ser oxidante: ni el ácido sulfúrico ni el nítrico deben usarse
para determinaciones de selenio.
En las determinaciones de arsénico el analito debe estar en el estado
A s111, y puede necesitarse una etapa de reducción. Esto puede ser
complementado mediante la adición de una solución al 20% de yoduro de
potasio- la reducción estará completa en cerca de 50 minutos a temperatura
ambiente. En forma alternativa la muestra puede ser calentada a 50°C por
cerca de 4 minutos.
Para análisis de selenio, el analito debe estar en forma inorgánica, de
otra manera será necesaria la digestión. N o se recomienda el calcinado en
seco debido a la volatilidad del selenio.
El ácido clorhídrico es generalmente el mejor, aún cuando puede
obtenerse alguna mejora en la precisión analítica con una mezcla de 5% de
ácido fosfórico y 5% de ácido clorhídrico.
El Sevl no es recuperado cuantitativamente en la generación de hidruros
y debe ser reducido a Se'v. El calentamiento a 70 °C por 10 minutos usando
ácido clorhídrico al 50% es efectivo.
La concentración ácida para soluciones analíticas no debería exceder el
25%. de otro modo la señal analítica será deprimida y la absorción por
background puede ser severa.
El plomo puede determinarse sobre un rango de trabajo de 0.01 a 0.3
mg/L. Es necesario adicionar ácido tartárico y dicromato de potasio antes de
generar el hidruro.
Para estaño, es adecuado el ácido clorhídrico, pero el analito debe
estar en la forma estañosa. El pH debe estar ajustado a 1.0-1.5.
- 85
-
F undamentos
del
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b s o r c ió n
A
t ó m ic a
El mercurio es determinado por el método de vapor frío: la máxima
concentración de trabajo es cerca de 0.08 mg/L para una muestra de 20 mL. La
concentración característica es cerca de 0.0004 mg/L para una muestra de 20
mL.
Para todos los métodos de generación de vapor es necesario obtener
mediciones de pico. Generalmente son adecuadas las mediciones de altura de
pico. Para algunas aplicaciones, sin embargo, la matriz de la muestra puede ser
tal que los picos sean inadecuados para mediciones efectivas de altura. Para
estas aplicaciones será esencial usar medición de área de pico.
I 1.5
M ic r o m u e s t r e o p o r F l a m a
En esta técnica, un pequeño volumen de muestra, típicamente 100 (j L
es inyectado en un túnel de teflón conectado al nebulizador del instrumento.
La señal analítica resultante es un pico rápido y transitorio el cual es medido
por el sistema de lectura de pico. La inyección directa se acompaña usando una
micropipeta del volumen requerido.
La principal aplicación para el micromuestreo es en análisis de trazas
donde se requieren técnicas de preconcentración. Se necesita una muestra
inicial más pequeña así dando manipuleo más fácil en el campo o laboratorio
previo al análisis. Puede realizarse una extracción con A P D C / D IB K sobre 100
mL de muestra en vez de 500 mL sin pérdida en el factor de concentración.
De modo similar un volumen más pequeño puede usarse en los procedimiento
de intercambio de iones desde que el análisis completo por micromuestreo
puede ser llevada a cabo con I mL de líquido. Los coprecipitados pueden ser
digeridos y hechos en muy pequeños volúmenes, incrementando el factor de
concentración. También pueden determinarse más elementos de un volumen
pequeño dado comparado con la aspiración convencional. Típicamente, hasta
nueve elementos pueden determinarse desde I mL de muestra.
El micromuestreo por flama puede también usarse para análisis con
aplicaciones de solventes orgánicos y con alto contenido de sólidos disueltos,
donde la aspiración convencional puede ser problemática.
I 1.6
A u t o m a t iz a c ió n
El empleo de dispositivos de muestreo automático y el registro
automático de resultados son medios efectivos de incrementar la
productividad analítica. Los cambiadores de muestra automáticos usualmente
toman la forma de una tabla rotatoria o rectilinear desde la cual las muestras
son sucesivamente presentadas a un capilar adjunto al nebulizador. Pueden
usarse cambiadores similares de muestra para presentar un arreglo de
muestras a un horno de grafito.
De modo semejante a los espectrómetros, los cambiadores de muestra
han obtenido los beneficios de la tecnología del microprocesador. Los
espectrómetros y cambiadores de muestras controlados por microprocesador
pueden fabricarse para interactuar en una manera muy sofisticada. El software
- 86
-
F undamentos
d el
A n á l is is
por
A
b s o r c ió n
A
t ó m ic a
de computadora de los cambiadores de muestras modernos proporciona una
repertorio extenso de rutinas analíticas. Entre otros se tienen los siguientes
accesorios para la automatización del análisis por absorción atómica:
Automuestreador de Flama
Un automuestrador de flama proporciona análisis automático de hasta
60 muestras, con calibración automática usando hasta 10 estándares. Tiene
interface con el equipo de AAS, y es controlado por la computadora del AAS.
Tiene provisión para enjuague separado, soluciones blanco y de re-escala y es
completamente programable.
Automuestreador X-Y-Z
Un automuestreador X-Y-Z es una muestreador transversal *
programable (x-y-z) con una capacidad de hasta 270 muestras en tres racks
más diez estándares. Es controlador por el software de absorción atómica del
equipo principal de AAS.
Auto Diluidor
Este equipo es un accesorio de dilución de muestras
para
métodos de absorción de flama y de hidruros, entre sus características se
tiene:
♦
♦
Permite la adición de hasta dos soluciones químicas modificadoras por
separado
Preparación de estándares de trabajo
♦
♦
Preparación de adiciones de estándar
Dilución de la muestra antes de la medición
♦
Dilución automática de las muestras “ sobre el rango”
♦
Usa rotación automática del quemador
♦
Elimina la necesidad de preparación manual de estándares
I 1.7
A p lic a c ió n d e la s C o m p u t a d o r a s a l
AAS
Las computadoras, junto con los espectrómetros y cambiadores de
muestra están siendo usados en forma creciente para análisis de rutina,
desarrollo de métodos e investigación.
El uso de las computadoras implica que los modernos aparatos de AAS,
incluyen un microprocesador y que pueden establecer comunicación hacia la
computadora mediante los puertos de comunicaciones (C O M I, C O M 2 u otros
según diseño). Para esto deben establecerse los parámetros como la velocidad
en baudios, el tipo de paridad, los bits de datos y los bits de parada.
Generalmente, los programas de computadora diseñados para A AS
(software para A A S) permiten el pre-registro, almacenaje y llamado de
métodos analíticos adaptados al usuario. Los programas incluyen algoritmos
específicos para manipulación de datos y procesos tales como cálculos de
calibración y ajuste de curvas, regresión por adiciones estándar, promedio,
desviación estándar, etc. La pantalla proporciona una guía paso a paso para la
rutina operacional y un display dinámico de los resultados operacionales.
-
87
-
F undamentos
del
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n á l is is p o r
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b s o r c ió n
A
t ó m ic a
Pueden calcularse los gráficos de calibración, verse e imprimirse si fueran
necesarios. Mediante el uso de una impresora también se puede obtener
copias impresas de resultados analíticos bajo formatos específicos.
I 1.8
S oftw are para A A S
Cada fabricante de equipos de y accesorios para A A S diseña su propio
software. Esto implica que exista una diversidad de versiones de software para
AAS. Con base en algunos de estos programas, se tratará de brindar pautas
generalizadas del contenido del software, de modo que el lector este
preparado para ubicar los puntos de su interés en el software de AAS de
cualquier fabricante de equipos. Usualmente un programa para A AS incluye los
siguientes módulos:
M ódulo A : M étodos
Proporciona acceso a parámetros
del método de análisis para un
elemento químico y una configuración particular del instrumento. Incluye las
siguientes secciones:
A. I
D escripción
Descripción
Parámetro
Elemento Químico
Permite seleccionar un elemento químico (desde una tabla desplegada)
Posición de Lámpara
Verificación de que al elemento seleccionado le corresponda una posición de
lámpara en la torreta
Superlámpara
Verificación de que el elemento seleccionado tiene una superlámpara vinculada.
De ser así, lo indica.
A .2
In strum ento
Descripción
Parámetro
Línea de Resonancia
Selección de línea de resonancia, si se requiere una diferente a la primaria
Corriente de Lámpara
Corriente eléctrica aplicada a la HCL para maximizar la salida
Longitud de Onda
La que corresponde a la linea de absorción más sensitiva.
Ancho de Slit
Valor del ancho del slit por defecto
Altura de Slit
Normal: para atomización por flama
Reducida: para horno de grafito
Corrección por
La absorción por background (no atómica) se medirá y será sustraída de la
Background
señal antes del cálculo.
A .3
Medición
Se determina como y cuando se ejecuta cada medición durante
la introducción de una muestra al instrumento.
Descripción
Parámetro
Modo de Medición
Permite seleccionar entre integración, altura de pico, área de pico y media
(ver anexo 14.1)
móvil
Tiempo de Lectura
Establece el tiempo de lectura en segundos
F undamentos
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Constante de Tiempo
Filtra digitalmente la señal de absorbancia primaria para reducir el ruido.
Réplicas
Número de lecturas sobre cada muestra
Tiempo de Retraso
Permite que la lectura se estabilice después de introducir una nueva muestra
A .4
Calibración
Se determina como se realiza la calibración, se aplican pruebas a los
datos de calibración y están disponibles acciones en caso de falla.
Descripción
Parámetro
Modo de Calibración
Concentración, Conc. Mínimos Cuadrados, Lineal Mínimos Cuadrados, Lineal
(ver anexo 14.2)
Mínimos Cuadrados a través de Cero, Adiciones de Estándar, Estándares
Unidades de Concentración
Selecciona las unidades: ppm, (Jg/ml, mg/L etc.
Falla de Calibración
Verifica el valor de r o r! cuando se utilizan los modos de calibración
Acción de Falla de Conc.
Selecciona la acción a ejecutar después de una falla de calibración
Blanco después de calibrar
Fuerza a que la solución blanco sea medida después de una calibración
Cero antes de Calibración
Realiza un cero del instrumento al inicio de la calibración.
Cero entre Muestras
Realiza un cero del instrumento entre cada muestra leída.
Envolventes.
basados en Mínimos Cuadrados
A .5
Estándares
Se establece el número de estándares para construir la curva de
calibración. Se puede adicionar y rem over estándares así como ver el gráfico
de calibración resultante.
Parámetro
Descripción
Adición de estándar
Permite adicionar un estándar a la tabla
Remoción de estándar
Permite remover un estándar de la tabla
Ver gráfico de calibración
Permite ver el gráfico de calibración
A .6
C o n tro l de Calidad
Se establecen protocolos de control de calidad para los diversos tipos
de muestras.
Descripción
Parámetro
Fija los límites para el chequeo de rangos de concentración y la acción a
Muestra
iniciar si ocurre una falla.
Muestra de Chequeo
Se ingresa la concentración conocida de esta muestra. Se fijan limites
Segunda Acción de Falla
Si ocurre una segunda falla la corrida se detiene o continua, según lo
inferior y superior. En caso de falla están disponibles ciertas acciones.
programado.
A .7
Flam a
Parámetro
Descripción
Tipo de Flama
Aire-Acetileno u Oxido Nitroso-Acetileno
Flujo de Acetileno
Permite ingresar el flujo de acetileno. Rango: 0.5 a 9.0 L/min.
- 89
-
\
F undam entos
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Permite ingresar el flujo de aire. Rango: 10 a 24 L/min.
Flujo de Aire
Permite ingresar el ángulo entre la línea central del quemador y el haz
Angulo del Quemador
óptico. Para un ángulo de quemador cero la línea central del quemador es
paralela al haz óptico.
Altura del Quemador
Permite ajustar la altura relativa a la máxima disponible. Esta opción es
usada
para
ajustar
la
posición
vertical
del
quemador
para
máxima
absorbancia.
M ódulo B: M uestras
Permite diseñar el orden y frecuencia de tipos de medición.
Descripción
Parámetro
Edición de tabla de
La tabla de muestras
puede ser editada mediante:
muestras
remoción, propiedades y cambio de tipo de medición.
inserción, adición,
Propiedades de la
Establecidas para muestras individuales: tipo de medición ( anexo 14.3),
Medición
cambio de tipo de medición, etiqueta, número, posición, peso, volumen.
M ódulo C:
Análisis
Descripción
Parámetro
Archivos
Permite abrir archivos de métodos, muestras y resultados
Secuencia de Análisis
Primera/Ultima Medición. Se establece la primera y la última medición
Medición Hasta el Final. Permite medir hasta el final de la corrida
Inicio en la Muestra N °. Permite seleccionar la muestra de inicio.
Permite que el instrumento caliente o una HCL se estabilice.
Tiempo de Retraso
Elemento de Calentamiento. Permite seleccionar el elemento a calentar.
Instrumento
Corriente (mA). Permite seleccionar la corriente para el elemento a calentar.
M ódulo D.
Resultados
En este módulo se muestran los datos y gráficos del análisis. Usualmente
los resultados comprenden un listado, detalle del valor leído, gráfico del valor
leido y absorbancia-concentración instantánea. Los datos de cada medición son
agregados a la lista en forma dinámica.
M ódulo E: R ep o rtes
Los parámetros de reporte controlan que datos se seleccionan y la
forma en que los datos son impresos o exportados a un archivo.
Descripción
Parámetro
Análisis de Elemento Unico
Permite incluir Gráfico de Calibración, Parámetros del Método, Pesos y
Volúmenes y Réplicas
Exportar a:
Selección del puerto de salida:, COMI, C0M2, LPTI, File o Deshabilitado
Preparación de Pagina
Permite personalizar márgenes, cabecera y pie de pagina
M ódulo F: In stru m en to
Permite la instalación de componentes, optimización y diagnóstico del
espectrómetro de absorción atómica y sus accesorios.
- 90
-
F undamentos
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F. I Instalación de C o m p o n en te s
Parámetro
Descripción
Modelo AAS
Permite seleccionar el modelo de espectrómetro, el número de lámparas, tipo de
torreta y tipo de gasbox
Accesorios
Horno de Grafito
■
Sistema de flujo continuo de generación de vapor.
■
Quemador Automático Rotatorio
■
Ajustador del Quemador
■
Fuente de Potencia para
superlámpara
Parámetros de comunicación disponibles para configurar los puertos seriales.
Comunicaciones
F.2
■
Panel de Estado
Proporciona
capacidad
de
diagnóstico
para
complementar
los
Medidores de Servicios y la Optimización.
Descripción
Parámetro
Fuente de Luz
Estado de: HCL, Lámpara de deuterio y superlámpara.
Lectura Continua
Se proporciona lectura continua y gráficas para absorbancia y
concentración de la muestra.
Gasbox
Indica el estado actual del bloqueo de seguridad del gasbox
Escaneo de Long. de Onda
Realiza el escaneo de Longitud de Onda
F.3
O p tim izació n
Permite rápida y conveniente optimización para los métodos de flama y
horno y los accesorios.
.
Parámetro
Descripción
Alineación HC/D2
Permite la optimización para las lámparas HCL deuterio y superlámpara.
Lectura
Permite chequear señales de línea de base, del analito y de background, y
determinar si se requiere corrección por background.
Optimización de las condiciones de flama, ángulo del quemador y altura del
Control de Flama
cabezal para señal óptima.
Permite optimizar la posición del quemador.
Ajuste del Quemador
F.4 Propiedades
Se determina la configuración del hardware y se efectúa la
operación del espectrómetro y sus accesorios.
Parámetro
Configuración
Descripción
Permite configurar como flama u horno y determinar que accesorios, entre los
seleccionados en “ Instalación de Hardware", están disponibles para ser incluidos
en la configuración de software y usados en el análisis.
Tabla de Lámparas
Permite incluir las lámparas correspondientes a los elementos seleccionados, de
acuerdo al modelo de espectrómetro.
Gasbox
Controla el flujo de gas al quemador. Se puede seleccionar entre: “ Permitir
análisis sin flama” (análisis de Hg) y “ Cerrar el gasbox al final del análisis”
- 91
-
F undamentos
del
A
n á l is is p o r
A
b s o r c ió n
A
t ó m ic a
F.5 M edidores de Servicio
Permiten diagnosticar y controlar la optimización del sistema óptico y
el acondicionamiento de señal. Los controles permiten optimización manual y
capacidad de escaneo de las fuentes de luz.
Parámetro
Detalle
HC Muestra/HC Referencia
Intensidad del rayo de muestra/referencia para la HCL
D2 Muestra/O] Referencia
Intensidad del rayo de muestra/referencia para la lámpara de deuterio
Long. de Onda Hax/Min
Limite superior/inferior para el escaneo de longitud de onda
Long. de Onda Actual
Longitud de onda escaneada actual que incide en el fotomultiplicador
Long. de Onda del
Longitud de onda a ser usada para realizar la optimización de la señal
instrumento
Pico de Long. de Onda
Longitud de onda más cercana a la seleccionada.
Corriente de Lámpara
Comente de lámpara aplicada a la HCL
Pico de Torreta
Optimiza la posición de la lámpara moviendo la torreta de lámparas para
proporcionar la máxima señal de lámpara.
Ancho del Slit
Fija el ancho del slit monocromador
Pico del Espejo
Optimiza la posición del espejo para dar máxima señal del rayo de luz.
Corriente de Superlámpara
Corriente aplicada a la superlámpara
Pico de Superlámpara
Optimiza la corriente eléctrica aplicada a la superlámpara
EHT
Fija la ganancia electrónica (EHT) aplicada a la señal de salida del
fotomultiplicador.
Corriente de Lámpara D2
Corriente eléctrica aplicada a la lámpara de deuterio
Pico EHT
Optimiza el EHT
Pico D2
Optimiza la corriente eléctrica aplicada a la lámpara de deuterio
Escaneo de Long. de
Realiza el escaneo de long. de onda utilizando las long. de onda máxima y
Onda
mínima establecidas.
Posición de Lámpara
Posición de la torreta de lámparas actualmente alineada enfrente de la
ventana de entrada óptica
Escaneo de Intensidad
Ploteo XY Intensidad de luz versus Longitud de onda, (figura 46).
Status de AA
Indicador de la tarea que se esta ejecutando en el instante.
En la figura 45 (página siguiente), se muestra un escaneo de intensidad longitud de onda para la lámpara de cátodo hueco (H C L) del elemento plata,
indicando los parámetros que corresponden.
-
92
-
F undamentos
del
A
n á l is is p o r
A
b s o r c ió n
A
t ó m ic a
ESCAN EO DE INTENSIDAD
Longitud de onda (nm)
PARAMETROS
Longitud de onda máxima
Longitud de onda mínima
Longitud de onda actual
Longitud de onda del instrumento
Ancho del slit
Comente de lámpara HCL
Corriente de lámpara de deuterio
EHT (ganancia electrónica)
333.1 nm
323.1 nm
328.3 nm
328.3 nm
0.5 nm
4.0 mA
401 V
Figura 45. Escaneo de Intensidad para una HCL de Ag
Figura 45.
Escaneo de intensidad para una H C L de Ag
F undamentos
del
A
n á l is is p o r
A
b s o r c ió n
A
t ó m ic a
C A P Í T U L O XII
O P T IM IZ A C IÓ N DE IN S T R U M E N T O S Y M É T O D O S
12.
O
p t im iz a c ió n
de
In st r u m en t o s
y
M
éto do s
En contraste con las técnicas que utilizan emisión óptica, la A AS tiene
un parámetro que, bajo condiciones instrumentales y analíticas dadas, depende
prácticamente solo de cantidades físicas; esta es la sensitividad (gradiente de la
función de calibración), o sus cantidades derivadas concentración característica.
La sensitividad así ofrece un criterio de control muy útil para el correcto
funcionamiento de un instrumento y para optimizar un método. De otro lado,
mediante una elección adecuada de parámetros del instrumento o condiciones
analíticas la sensitividad puede cambiarse de modo correspondiente tal que el
rango de trabajo pueda ser cambiado a concentraciones de analito más altas o
más bajas. El segundo parámetro importante en un método analítico es el
ruido, el cual puede también servir como un criterio de control para el
correcto funcionamiento del instrumento y la ejecución adecuada del análisis.
Mediante el ratio señal-ruido también se ingresa directamente a cantidades
tales como la precisión y el rango de trabajo.
I 2 .1
R e c o n o c im ie n t o de E r r o r e s y O p t im iz a c ió n d e l In s t r u m e n t o
La AAS es una técnica relativa en la cual las determinaciones
cuantitativas son realizadas por comparación con muestras de calibración
(soluciones de calibración). Desde que cada cambio en los parámetros del
instrumento, la condición del instrumento, y las condiciones de medición se
reflejan en la calibración y son así eliminadas (excepto el drift), es todavía
posible obtener resultados cuantitativos aún cuando la sensitividad esté lejos
del óptimo. Sin embargo, a pesar de esta posibilidad, este modo de trabajo no
es aconsejable desde que se pierde todo el control sobre la condición del
instrumento. Aparte del hecho que las características de rendimiento de un
análisis son peores bajo estas condiciones, el juicio de la data analítica es
cuestionable desde que los cambios significativos en la sensitividad o el ruido
son indicadores de mal funcionamiento del instrumento o errores en el
método. Por esta razón, debe mantenerse un protocolo de las características
de rendimiento de cada análisis, y cualquier desviación significativa de los
valores especificados o de los valores en los protocolos anteriores debería ser
una razón para investigar la causa.
- 94
-
Fundam entos
del
A
n á l is is p o r
A
b s o r c ió n
A t ó m ic a
I 2 .1.1 S e n s i t i v i d a d D e m a s i a d o B a j a
Sensitividad demasiado baja: causas frecuentes en AAS:
/?
Errores
<?
calibración
Pérdida de analito en las soluciones de stock o calibración debido a
0
&
estabilización insuficiente o contenedores no adecuados
Lámpara errónea o fallada; corriente de lámpara demasiado alta
Longitud de onda incorrecta o slit demasiado ancho
&
de
dilución
cuando
se
preparan
las
soluciones
de
Efectos de matrix debidos ya sea al uso de un buffer o modificador
equivocado, o ausencia de un buffer o modificador.
Sensitividad demasiado baja: causas adicionales en F AAS:
&
^
Tipo de flama equivocado o estequiometría de flama no optimizada
Posición horizontal o vertical del quemador no optimizada
El capilar de muestra, nebulizador, o el slot del quemador están
atorados, velocidad de aspiración incorrecta
Insertos no adecuados en la cámara de spray; esfera de vidrio de
contacto mal alineada
Sensitividad demasiado baja:, causas frecuentes en G F A A S
característica demasiado alta)
(masa
Dispensamiento de muestra erróneo
Pérdidas de analito en la preatomización; estas pueden ser debido a
temperatura de pirólisis demasiado alta, a un modificador no
adecuado o a la ausencia de modificador.
Temperatura de atomización no adecuada (demasiado alta)
Valor erróneo del blanco o de la corrección de línea base
Flujo de gas demasiado alto durante la atomización o el uso de un
gas de purga no adecuado.
Velocidad de calentamiento demasiado lenta; esto puede ser
causado por un suministro no adecuado de potencia o contacto
eléctrico deficiente del tubo de grafito.
Una fuerza de campo magnético demasiado baja para corrección del
background por efecto Zeeman (p.e. insuficiente voltaje en el
electromagneto)
Sensitividad demasiado baja: causas frecuentes en H G AAS:
Valor de pH no optimizado de la solución de medición
Concentración errónea de la solución reductora
0
0
Falso flujo del gas transportador
Tubo atomizador de cuarzo contaminado o no acondicionado
F undamentos
del
A
n á l is is p o r
A
b s o r c ió n
A
t ó m ic a
I 2 . 1.2 S e n s i t i v i d a d D e m a s i a d o A l t a
Mucho más raro que una sensitividad demasiado baja es una
sensitividad demasiado alta (masa característica demasiado baja). Esto
puede ser debido casi sin excepción, especialmente en el caso de
análisis de trazas, a la introducción accidental del analito. Si esto ocurre,
debería hacerse una búsqueda sistemática para determinar la causa.
Todos los resultados analíticos generados bajo tales condiciones, deben
ser considerados con escepticismo.
Precisión insuficiente o Ruido demasiado alto: causas generales en AAS
&
&
^
Baja energía de lampara; calidad de lámpara deficiente
Corriente errónea o alineamiento deficiente de lámpara
Longitud de onda errónea o ancho de slit demasiado estrecho
Componentes ópticos contaminados (vidrios, lentes, espejos, etc)
Ruido de emisión
Deficiente alineamiento de la fuente lineal y la fuente continua para
corrección por background
Solución de muestra no homogénea o lodosa, la presencia de
material suspendido en la solución de medición, efecto negativo
para análisis de sólidos
Precisión insuficiente o ruido demasiado alto: causas específicas en F
AAS
¿?
&
^
Nebulizador o quemador parcialmente atorado; nebulizador
defectuoso
Cámara de spray contaminada o insertos (gotas gruesas en la
superficie son un indicador de problemas de humectación)
Flujo de drenaje irregular desde la cámara de spray
Flujo de gas irregular (p.e. presión de gas demasiado baja)
Flama no estacionaria causada por corrientes de aire, fuerte sistema
de ventilación, cambio de solvente, etc.
<? Tiempo de integración demasiado
insuficiente
corto
o
amortiguación
Precisión insuficiente o ruido demasiado alto: causas específicas en GF
AAS
&
0
Dispensamiento irreproducible de la muestra de solución a ensayar
Esparcimiento de la solución causada por secado demasiado rápido
0
o incompleto
Desplazamiento irregular de la solución de medición por la pared
cf
&
de atomización (problema de atomización)
Tubo de grafito o contactos envejecidos
Tiempo de integración demasiado largo o ventana de integración
incorrecta.
- 96
-
Fundamentos
del
A
n á l is is p o r
0
A
b s o r c ió n
A t ó m ic a
Corrección del offset de la linea base (B O C ) demasiado corta o
errónea.
Causas Frecuentes para el drift
&
&
&
Cambios en la intensidad radiante de la lámpara (o lámparas) o el
perfil de la línea durante la fase de calentamiento o en el caso de un
defecto; cambios en el ratio de las intensidades radiantes de la línea
fuente y la fuente continua para corrección por background.
Evaporación del solvente desde la solución de medición.
Para F AAS; calentamiento o enfriamiento del quemador, o la
0
formación de incrustaciones en la ranura del quemador.
Para F AAS; cambios en la velocidad de aspiración o en la eficiencia >
de la nebulización debido
a cambios físicos en el capilar de
muestras o en el nebulizador.
Para G F AAS; envejecimiento del tubo de grafito o la acumulación
&
de residuos (p.e. carbón de material biológico)
Para H G AAS; contaminación creciente del atomizador de tubo de
0
cuarzo.
Esta lista de causas frecuentes de desviaciones marcadas en las
características más importantes de rendimiento solo sirven de punto
de inicio para la detección de problemas. Sin embargo, debe enfatizarse
que las desviaciones de esta clase son casi siempre una indicación de
mal funcionamiento o erro r operacional. O tros detalles sobre posibles
interferencias pueden encontrarse en las técnicas individuales . Las
características de rendimiento importantes tales como sensitividad
(masa característica o concentración) y el ratio señal-ruido siempre
deberían ser documentadas con lo§ resultados analíticos de modo que
pueda hacerse seguimiento del mal funcionamiento o errores
operacionales y estos puedan ser eliminados.
F undamentos
del
A
n á l is is p o r
A
b s o r c ió n
A
t ó m ic a
C A P Í T U L O XIII
S E G U R ID A D
13.
S
e g u r id a d
La espectrometría de absorción atómica involucra una particular
combinación de riesgos potenciales. Riesgos por gases comprimidos, flamas
abiertas, solventes inflamables, líquidos corrosivos, reactivos tóxicos, humos y
vapores tóxicos, radiación ultravioleta y calor están vinculados estrechamente
a la operación de un instrumento de absorción atómica, y las prácticas de
seguridad diseñadas para laboratorios de propósito general no son
completamente adecuadas para el laboratorio de absorción atómica. La técnica
asimismo demanda prácticas seguras que deben observarse rigurosamente, y
cada laboratorio debe originar un código de seguridad que sea adecuado para
los procedimientos analíticos e instrumentales empleados.
Un código adecuado de seguridad debe considerar lo siguiente:
♦
Regulaciones pertinentes promulgadas por
Reglamento de Seguridad de Higiene Minera
el
estado,
tales
♦
Normas referidas a Buenas Prácticas de Laboratorio (G LP)
♦
♦
Información de seguridad publicadas por el fabricante.
Descripciones explícitas del riesgo asociado a cada procedimiento
♦
♦
Instrucciones precisas para evitar o minimizar cada riesgo
Explicación clara de las consecuencias de no seguir la instrucción.
♦
Un procedimiento de apagado de emergencia
como
el
Las siguientes reglas generales pueden ser útiles para esbozar un código
adecuado de prácticas seguras:
I 3 .1
S is t e m a d e E x t r a c c ió n
Las flamas analíticas generan una considerable cantidad de calor
(típicamente cerca de 500 kilojoules por minuto), y los humos y vapores
producidos por algunos análisis (flama u horno) pueden ser tóxicos.
El calor, los humos y vapores deben ser extraídos del instrumento por
un sistema eficiente de extracción. El sistema debe ser instalado de acuerdo
con las regulaciones pertinentes, debe incluir un interruptor claramente
identificado y luz piloto cerca al instrumento. Siempre debe encenderse el
sistema de extracción antes de encender la flama o hacer funcionar el horno.
- 98
-
F undamentos
del
13 . 2
A
n á l is is p o r
A
b s o r c ió n
A
t ó m ic a
C il in d r o s d e G a s e s C o m p r im id o s ( A c e t il e n o , A r g ó n )
La ubicación correcta para todos los cilindros de gases comprimidos es
fuera del laboratorio en un área de almacenaje separada bien ventilada y fría,
de conformidad con los reglamentos locales y códigos de seguridad. Todos los
cilindros deben ser almacenados verticalmente y firmemente asegurados a una
pared u otra estructura rígida. Instale válvulas de alivio y otros dispositivos de
protección contra exceso de presión. Los gases deben suministrarse al
laboratorio a través de tubería permanente debidamente rotulada y con su
código de color. Las válvulas de cierre para cada suministro deben estar
colocadas al alcance de cada instrumento.
La instalación completa debe ser rigurosamente probada en cuanto a
fugas a intervalos regulares usando agua jabonosa o soluciones fabricadas para
detección de fugas.
I 3 .3
T u b e r ía s F l e x ib l e s d e G a s y C o n e x io n e s
Longitudes cortas de tubería flexible de gas suministradas por el
fabricante del instrumento son usados para conectar el instrumento al
suministro permanente de gas. Debe arreglarse esta tubería flexible de modo
que no pueda ser dañada, o que le caigan cosas encima debido que hasta la
tubería más dura puede romperse. Solo use accesorios aprobados y asegure
que todas las tuberías flexibles y conexiones accesorias estén instaladas
correctamente. Idealmente, esta porción del sistema de suministro de gas debe
inspeccionarse cada día.
13.4
A c e t il e n o
Bajo ciertas circunstancias, el acetileno puede explotar en forma
espontánea, y puede también formar acetiluros explosivos. Siempre observe
estas reglas:
♦ El acetileno es un gas altamente inflamable, incoloro con un olor distintivo.
♦ La instalación de cilindros deben cumplir con las regulaciones locales.
♦ Instale válvulas de alivio y otros dispositivos de protección contra exceso
de presión.
♦ Los cilindros deben colocarse en la parte externa del laboratorio.
♦ Nunca pase acetileno a través de tubería de cobre o de bronce que
contenga más de 65% de cobre.
♦ No trabaje con acetileno a presiones mayores que 105 kPa (15 psi, 1.0
kg/cm2).
♦ Nunca ponga el acetileno en contacto directo con cobre, plata, mercurio
líquido, gas cloro o grasa.
♦ Siempre ajuste los cilindros a la pared o alguna otra estructura en posición
vertical.
♦ No permita soldadura eléctrica ni corte con llama cerca a los cilindros.
♦ Para evitar las fugas, chequee periódicamente que no ocurra fugas de gas en
todas las líneas y válvulas, use agua jabonosa.
- 99
-
F undamentos
del
A
1 3 .5
n á l is is p o r
A
b s o r c ió n
A
t ó m ic a
Ó x id o N it r o s o
♦
El óxido nitroso es un asfixiante, puede causar combustión espontánea del
combustible, y cuando sale del cilindro el efecto de enfriamiento puede
congelar el regulador de suministro.
♦
Debe probarse contra fugas el sistema de suministro de gas nitroso tan
rigurosa y frecuentemente como el resto del sistema de suministro de
gases. Asimismo debe usarse un regulador con un calentador incorporado,
o use una cinta resistencia calentadora sobre el regulador.
1 3 .6
♦
♦
♦
S o l v e n t e s In f l a m a b l e s
Siempre recuerde que la combinación de una flama y un solvente inflamable
es potencialmente muy peligrosa.
Use un solvente que tenga el punto de flasheo más alto posible consistente
con los requerimientos analíticos.
Siempre use un contenedor cubierto y alimente el tubo capilar a través de
un pequeño agujero en la cubierta (diámetro máximo 2 mm).
♦
Use el volumen práctico más pequeño
♦
N o permita que el solvente de desecho se acumule en la cámara de spray.
Use un pequeño recipiente de plástico para desechos localizado en un área
abierta y ventilada y vacíelo con frecuencia.
Tabla VIII. Solventes Orgánicos comúnmente usados en AAS
Solvente
Punto de Flasheo °C
Punto de Ebullición °C
Gravedad
Específica
0.79
4-metil-pentan-2-ona (MIBK)
22
118
2-metil, propan-l-ol
23
108
0.78
m-xileno
29
139
0.80
cidohexanona
34
155
0.95
39-74
175-325
0.78
kerosene
43
132
0.81
3-heptanona (etilbutilcetona)
46
148
0.82
Shellson T
50
186-214
0.75
2,6-dimetil,heptan-4-ona (DIBK)
60
166
0.81
ciclohexanol
68
161
0.96
Tetrahidronaftaleno (Tetralin)
71
207,207
0.97
alcohol isoamilico
1 3 .7
♦
♦
Q uem adores
Nunca
debe
usarse
un
quemador
aire-acetileno
con
óxido
nitroso-acetileno. Sin embargo, puede usarse un quemador óxido nitroso
acetileno con una llama aire-acetileno.
N o use oxígeno o aire enriquecido con oxígeno como oxidante.
100
-
F undam entos
♦
del
A
n á l is is po r
A
b s o r c ió n
A t ó m ic a
Nunca permita que un quemador sea bloqueado, dado que el bloqueo
progresivo puede incrementar la presión en la trampa de líquidos al punto
donde el sello líquido se rompa. Esto puede crear un riesgo de explosión.
♦ Siempre apague la flama antes de limpiar el la ranura del quemador
♦
Nunca deje una flama sin atención
♦ Siempre use guantes protectores cuando remueva un quemador debido a
que puede estar muy caliente.
1 3 .8
♦
T r a m p a d e L íq u id o s
Una gran proporción de la solución aspirada a través del nebulizador
nunca alcanza la flama y esta solución de desecho debe ser drenada sin
causar fugas en el sistema quemador/cámara de spray, esto se realiza ,
mediante una trampa de líquidos.
♦ Asegúrese que la trampa de líquidos esta llenada al nivel correcto antes de
empezar los análisis. Los instrumentos modernos tienen sistemas de
bloqueo incorporados para prevenir la operación con una trampa vacía.
Nunca intente desactivar tales sistemas de bloqueo.
1 3 .9
R a d ia c ió n U l t r a v io l e t a
Las flamas, lámparas de cátodo hueco, lámparas de descarga sin
electrodo, lámparas de deuterio y hornos analíticos pueden emitir peligrosa
radiación ultravioleta. Nunca mire directamente a estas fuentes de radiación
ultravioleta Siempre opere el instrumento con la puerta de protección de la
flama cerrada y siempre use lentes de seguridad de un estándar aprobado.
13.1 0
P e l ig r o s d e l C a l o r
Una flama abierta, un horno analítico caliente, quemadores y otras
superficies calientes pueden presentar riesgos de calor a operadores no
cuidadosos. Mantenga la puerta de protección de flama siempre cerrada
mientras opera el instrumento. N o toque el quemador con las manos sin
protección- siempre use guantes protectores. Nunca intente limpiar la ranura
del quemador con la flama encendida
13.11
In s p e c c ió n d e S e g u r id a d
Cada vez que inicie un trabajo de AAS, ejecute una rigurosa inspección
de seguridad. Considere los siguientes aspectos:
1. Todos los controles de gas deben estar apagados.
2.
Asegúrese que el área de trabajo este completamente despejada de todo
3.
material riesgoso incluyendo líquidos corrosivos y solventes inflamables.
Encienda el sistema de extracción y verifique su correcto funcionamiento
4.
Coloque
el
quemador
correcto.
Asegure
que
el
nebulizador
este
correctamente encajado y bloqueado tal como lo indica el fabricante del
equipo. Si la cámara de spray incluye un dispositivo de alivio de presión,
asegúrese que esté correctamente colocado.
10 1
-
V
F undamentos
del
A
n á l is is p o r
A
b s o r c ió n
A t ó m ic a
5.
Chequee la trampa de líquidos. Asegure que el tubo de drenaje esté
6.
ensamblado en forma segura a la trampa de líquidos
y que esté
correctamente dirigido al recipiente de desechos. En forma similar chequee
que el tubo de ventilación de vapor esté adecuadamente colocado. Llene la
trampa de líquidos de acuerdo con las instrucciones del fabricante.
Asegure que los cilindros correctos de gas estén colocados al sistema de
7.
suministro de gas. Inspeccione todas las conexiones y tuberías de gas.
Refierase a las instrucciones de fabricante y fije la presión de acuerdo a las
8.
presiones especificadas.
Cierre la puerta del compartimiento de muestras o protección de flama.
9.
Use sus lentes de seguridad
Encienda la flama como lo especifican las instrucciones del fabricante.
-
102
-
F u ndam entos
del
A
n á l is is p o r
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b s o r c ió n
A
t ó m ic a
C A P Í T U L O X IV
ANEXOS
14.
A
nexos
14.1
■
M o d o s d e M e d ic ió n en
AAS
Integración. Mide el nivel de señal promedio durante el periodo de lectura,
es el modo usual para los análisis por flama.
■ Altura de pico. Mide la máxima señal durante el tiempo de lectura. Este
modo no es práctico para los análisis por flama
■ Area de pico. Mide el área total bajo los picos mientras dura el tiempo de
lectura. Este modo tampoco es práctico para los análisis por flama.
■ Media móvil. Mide en forma continua hasta que se logra el % de precisión
especificado o hasta que expira el periodo de tiempo de lectura. No se
hacen mediciones duplicadas y el parámetro Precisión reemplaza al
parámetro Réplicas.
I 4.2
M o d o s d e C a l ib r a c ió n en
AAS
■ Concentración. La calibración se basa en una curva que pasa a través del
origen y todos los puntos de datos.
■ Concentración por Mínimos Cuadrados. La mejor curva de ajuste que pasa a
través del origen se aplica a los datos para obtener las concentraciones de
muestras. N o se fuerza a que la curva pase a través de todos los puntos de
datos.
■ Mínimos Cuadrados Lineales. Una curva lineal de ajuste se aplica a los datos.
■ Mínimos Cuadrados Lineales a través de Cero. Una curva linea de ajuste se
aplica a los datos. La curva es forzada a pasar a través del origen del gráfico.
■ Adiciones de Estándar. La mejor línea recta se ajusta a los datos de
absorbancia de adición de estándares, luego se extrapola de modo que el
intercepto negativo en el eje x se usa para obtener la concentración de la
muestra. La primera muestra (adición 0) se usa para fijar el gradiente de la
línea. Las concentraciones de las muestras subsecuentes son determinadas
moviendo la línea arriba o abajo en el eje y. Usar una muestra diferente
para la calibración inicial puede dar un conjunto diferente de resultados.
Use adiciones de estándar cuando es dificultoso hacer coincidir la matriz o
los problemas de interferencia lo hacen la mejor elección.
■ Estándares Envolventes. Este es un caso especial cuando solo existen dos
estándares de calibración con absorbancias justo sobre y debajo de la que
corresponde a las muestras.
14.3
T ip o s d e M e d ic i ó n e n
AAS
103
-
F undamentos
del
A
n á l is is p o r
A
b s o r c ió n
A
t ó m ic a
■
Muestra. Realiza una medición de muestra normal. Este tipo de medición
puede ser colocado en cualquier posición de la secuencia de muestras.
■
Calibración. Realiza una calibración completa usando la tabla de datos de
calibración. Este tipo de puede ser colocado en cualquier posición de la
secuencia de muestras, excepto después de una calibración.
■
Re-escala. Mide un estándar seleccionado (comúnmente de rango medio)
como el estándar de re-escala. La diferencia entre la medición de re-escala
y la calibración completa es que la medición de re-escala es utilizada para
ajustar el gráfico de calibración existente para corregir cambios en
sensitividad. Este tipo de medición puede ser colocada en cualquier
posición de la secuencia de muestras excepto antes de la primera
calibración.
■
Muestra de Chequeo. Mide la muestra de chequeo utilizando los parámetros
de Muestra de Chequeo en la sección Calidad del modulo Método. Se usa
como control de calidad para asegurar que el método de análisis
proporcione el resultado correcto.
■ Muestra & Recuperación. Mide la muestra y luego mide la muestra
recuperada y determina el % de recuperación del analito en la muestra
recuperada. Ambas concentraciones son determinadas del gráfico de
calibración. La concentración de muestra es sustraída de la concentración
de ‘muestra + recuperación'. La concentración residual se divide entre la
concentración teórica y multiplicada por 100 da el % recuperado.
Generalmente la recuperación debería ser I00±2% si el método usado es
eficiente.
■
Muestro Blanco. Mide la solución blanco para ajustar la línea base de las
muestras subsecuentes. Se usa para corregir distorsiones instrumentales.
104
-
F undam entos
del
A
n á l is is po r
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b s o r c ió n
A t ó m ic a
B IB L IO G R A F ÍA
1.
Introducing Atomic Absorption Analysis
P.A. Benett, E. Rothery
Varían Techtron Pty Limited, Mulgrave, Australia
First Edition, 1983
2.
Atomic Absorption Spectrometry
W elz, Bernhard, Sperling Michel
W iley-VCH , Germany
Third Edition, 1999
3.
A A Accesories Service Manual - Equipo HG3000
G B C Atomic Absorption Products
Febrero, 1997
Australia
4.
Fíame Methods Manual for Atomic Absorption
Nick Anatanasopoulos
G B C Scientific Equipment
Australia
5.
Atomic Absorption Spectroscopy: Theory, Design and Applications.
Haswell, S.J.
Elsevier, Amsterdam.
1991.
6.
Atomic Absorption Spectroscopy
Reynolds, R.J. et al.,
Barnes & Noble Inc.,
N ew York, 1970.
7.
Analytical Atomic Spectroscopy
Schrenk, W .G .
Plenum Press
N ew York, 1975.
8.
Handbook de Atomic Absorption Analysis. Vol. I.
Varma, A.
C R C Press,
Boca Ratón, 1985
105
-
A C ER C A DEL A U T O R
Raúl T. Jacinto Herrera es Ingeniero Químico de la
Universidad Nacional de Ingeniería, con amplia experiencia en
ingeniería de procesos y análisis químico por instrumentación,
lograda vía su experiencia profesional tanto en las plantas
industriales de manufactura como en laboratorios de las unidades
mineras peruanas. Considera bienvenidos aportes, comentarios y
críticas que permitan enriquecer alguna segunda versión de esta
obra.
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