Aatomiabsorptsioonspektroskoopia

Aatomiabsorptsioonispektromeeter

Aatomiabsorptsioonispektromeetria (ka aatomabsorptsioonispektromeetria; lühend AAS) on aatomispektromeetria meetod, mis põhineb aatomite elektronide ergastumisel valguse neeldumise toimel. Analüüsi aluseks on aatomite neeldumisspektrid.

AAS-i kasutatakse umbes 70 keemilise elemendi (metallid, poolmetallid) kvantitatiivseks analüüsiks. Selleks viiakse analüüsitava aine lahus seadmesse, kus see kõrgel temperatuuril kuumutades laguneb aatomiteks. Aatomid ergastatakse valguse abil kusjuures aatomid absorbeerivad footoneid ergastunud seisundisse minnes. Võrreldes kindla lainepikkusega kiirguse taset enne ja pärast proovi läbimist saadakse Beer-Lamberti seaduse järgi määrata aatomite kogus.

AAS-iga määratakse eeskätt metallide kontsentratsiooni nende soolade vesilahustes.

AAS jaotatakse lahuse aurustamise meetodi järgi:

• leek-AAS (F-AAS)
• grafiittoru- ehk elektrotermiline AAS (GF-AAS või ET-AAS)
• külmauru-AAS (CV-AAS)v

Aatomiabsorptsioonspektroskoopia on analüütilise keemia meetod keemiliste elementide (enamike metallide ja poolmetallide) tuvastamiseks.

Paremad aatomiabsorptsioonspektroskoopia aparatuurid võimaldab tuvastada üle 70 elemendi. Mõõta saab ka väikeseid koguseid, mis teeb aatomiabsorptsioonspektroskoopiast hea jälgede määramise meetodi. Protseduuri läbiviimiseks kasutatakse vastavaid aatomiabsorbtsioonimeetreid.

Ajalugu

Aatomiabsorptsioonspektroskoopia sünnihetkeks võib lugeda 19. sajandi teist poolt, kui Robert Wilhelm Bunsen ja Gustav Kirchhoff järeldasid naatriumi spektrit uurides, et igal elemendil on unikaalne spekter, mida saab nende elementide tuvastamisel kasutada (nagu sõrmejälgi inimeste tuvastamiseks). Eelnimetatud järeldust võib lugeda AAS sünnihetkeks, kuid meetodit ei saatnud pikka aega edu (väljaspool astronoomiat), kuna see osutus praktikas keeruliseks. 1952. aastal töötas Sir Alan Walsh välja kontseptsiooni AAS aparatuuri loomiseks . Ta ise meenutas läbimurret: "Lõpetasin loll olemise ja nägin midagi, mis oleks pidanud olema iseenesest mõistetav algusest peale" viidates faktile, et peamiselt prooviti kontsentratsioone mõõta kiiratud valguse mõõtmise teel. Esimene AAS spektromeeter ehitati 1960. aastatel Austraalias Techtron Pty. Ltd poolt. See aparaat võimaldas nüüdsest suurt osa elemente määrata poolautomaatselt, hoides kokku nii aega kui ka kemikaale. Meetod võeti kasutusele kiiresti ja laialdaselt erinevates valdkondades nagu meditsiin, põllumajandus, biokeemia, veinitööstus ja teised. Tänaseks on AAS kasutusel peaaegu kõigis analüütikaga tegelevates laboratooriumites.

Teooria

Analüüdi tuvastamiseks kasutatakse ära nähtust, kus gaasifaasis olevad elemendi aatomid absorbeerivad valguskiirgust (valguskvante ehk footoneid) vaid teatud lainepikkustel, mis tulenevad Bohri aatomiteooriast. Teades, mis lainepikkustel, mis element valguskiirgust neelab, on võimalik tuvastada proovis olevaid elemente. Kuigi suurem osa aineid neelavad valguskiirgust mitmel lainepikkusel, kattuvad need lainepikkused teistele ainetele iseloomulike lainepikkustega harva. Üldiselt vastab igale lainepikkusele vaid üks meid huvitav üleminek, seega on elemendi tuvastamine suhteliselt lihtne. Mida keerulisem on elektronorbitaalide ülesehitus (suuremad elektronorbitaalid), seda rohkem on võimalusi elektronide ergastamiseks ja seega lainepikkusi, mida aatom saab kasutada elektronergastusel. Võrreldes proove standardainetega või lineaarregressioonimeetodiga (teadaoleva kontsentratsiooniga proovidega) saab, Beer-Lamberdi seadust kasutades leida proovi elementide kontsentratsioone. Gaasifaasi viidud aatomeid kiiritatakse kvantidega, kus nad võivad sobiva lainepikkuse korral minna ergastatud olekusse. Neelduva kvandi energia on seotud elektronide üleminekuga energianivoodel aatomis. Mõõdetakse valgusallikast detektorisse jõudva valguse intensiivsust ning valgusallikast läbi proovi detektorisse jõudnud valguse intensiivsust. Vastavate väärtuste vahe on võrdeline proovi aatomites neeldunud energiaga.

Aparatuur

Aatomiabsorptsioonspektroskoopias kasutatavaid spektromeetreid võib tinglikult jaotada järgmisteks osadeks: valgusallikas, monokromaator, atomisaator, detektor ja infotöötlusvahend, milleks reeglina on vastava tarkvaraga arvuti. Atomiseerimine on vajalik analüüdi viimiseks aatomiteks. Kaks kõige tavalisemat atomisatsiooni viisi on leek- ja elektrotermilineatomisatsioon. Saadud aatomeid kiiritatakse valgusallikast tuleneva valguskiirgusega. Enne proovini jõudmist valgus filtreeritakse valides välja vaid uurijaid huvitava elemendiga seotud lainepikkused. Proovi läbinud valgus mõõdetakse detektoris, kus see edastatakse arvutile andmetöötluseks.

Valgusallikad

Kõige tavalisem valgusallikas AAS korral on õõneskatoodlamp. Eelnimetatud lamp omab kiirgusmaksimume vastavalt lambi ülesehitusele. Tavaliselt peab iga elemendi jaoks kasutama erinevat lampi. Eristamiseks, kas valgus tuleb otse allikast või on proov omanud sellele mõju, tuleb teostada valguse mõõtmisi korduvalt. Esimesel juhul lahendatakse probleem tiiviku (inglise k. chopper) lisamisega valgusallika ja leegi vahele, mis perioodiliselt katkestab detektorisse jõudva valguse. Teisel juhul on kasutusel perioodiliselt sisse-välja lülituv valgusallikas. Mõlemal juhul on võimalik detekteerida ja seejärel arvutada ainult proovist tuleneva kiirguse intensiivsust. Ainult huvipakkuvate lainepikkuste mõõtmiseks kasutatakse monokromaatoreid või valgusfiltreid, mis eemaldavad mittevajalikud lainepikkused.

Atomisaatorid

Atomisatsiooni juures on oluline saada võimalikult palju ühesugusele energianivoole ergastatud aatomeid. On kasutatud nii kõrgepinget koos madalate rõhkudega kui ka lasereid, aga ainult kaks atomisaatorit on laialdaselt kasutusel: leekautomisaator ja grafiitatomisaator ehk elektrotermiline atomisaator. Erandina on elavhõbeda määramiseks kasutusel külmauru meetod.

• Leekatomisaator

Leekatomisaatoriga aparatuuri ülesehitus on olemuslikult odavam, lihtsam ja töökindlam.Selline ülesehitus koosneb udustist (inkl k. nebulizer) ja põletuskambrist. Proov juhitakse pihustatuna läbi leegi, toimub ergastus ning osa aatomite ionisatsioon. Iioonide ja ergastatud aatomite absorbtsiooni spektri neeldumisjooned on täiesti erinevad, mistõttu on oluline leegi temperatuuri reguleerimine. Näiteks õhk-atsetüleen leegis, kus temperatuur on 2400–2700K, on seda läbivate magneesiumi ergastatud ja mitte ergastatud aatomite suhe 10E-8. See tähendab, et 1 aatom 100 miljonist on ergastatud. Hapnik-atsetüleen leegis, kus temperatuur on umbes 700K kõrgem, on see suhe 10E-6 ehk seal on 100 korda rohkem ergastatud aatomeid. . Proovi pikemaajalise atomiseerimise tõttu on detektorisse jõudev valgus atomiseerimise aja jooksul pidev suurus.

• Grafiitatomisaator ehk elektrotermiline atomisaator

Elektrotermilise atomisaatori eelis on proovi kiirem atomiseerimine kui leekatomisatsiooni korral. Nii tagatakse aatomite ajaliselt pikem viibimine optilisel teel (see tähendab, kui kaua on aatomid valguskiirguse mõjuväljas ehk neid saab ergastada). Elektrotermilise atomisaatori abil saavutatud suurem protsent ergastatud aatomeid tähendab tundlikumat aparatuuri, võrreldes leekatomistaatoriga aparatuuriga. Proov kuumutatakse sammhaaval kolmes etapis: kuivatamine (tavaliselt 483K), tuhastamine (573 – 1473K) ja atomisatsioon (2000 – 3000K). . Atomisatsioon toimub kiiresti, nii jõuab detektorisse signaaliimpulssidena, proov mõõdetakse lühikese aja jooksul, see nõuab kiiretoimeliste detektorite olemasolu.

• Külmauru meetod

Määramaks elavhõbeda kogust (anorgaanilise ja orgaanilise päritoluga) kasutatakse enim külmauru aatomiabsorptsioonspektroskoopiat (inglise k. cold-vapour AAS). Selle meetodi eripäraks on esiteks proovi eeltöötlus elavhõbeda oksüdeerumiseks Hg(II) vormi ning seejärel kogu elavhõbeda redutseerimine elementaarseks elavhõbedaks Hg. Atomisatsioon toimub keemiliselt ja atomisaatorit eraldi siin ei kasutata.

Detektorid

Detektor on seade, mis registreerib aatomiabsorptsioonspektroskoopia aparatuuris (aatomiabsorptsioonspektromeetris) valguskiirgust. Kasutada saab kõiki detektoreid, mis töötavad nähtava valguse ja sellele lähedastel lainepikkustel. Detektoriteks on fotokordistid (inglise k. fotomultiplayer tubes), räni fotodioodid ja fototorud. Need kõik muundavad valguskiirguse elektriimpulsideks, mis registreeritakse, saadetakse infotöötluskeskusesse (arvutisse) ja tõlgendatakse elementide kontsentratsiooniks.