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• Adan Sayhua

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ABSORCIÓN Y EMISIÓN ATÓMICA En la espectrofotometría de absorción atómica, los átomos en fase de vapor absorben radiaciones energéticas correspondientes a sus líneas de resonancia (UV-VIS), en cantidad proporcional a su concentración. La técnica se caracteriza por su sencillez, rapidez y selectividad. La espectrofotometría de emisión atómica consiste en el análisis de la radiación emitida luego de que los átomos se han excitado por acción de la llama. ABSORCIÓN ULTRAVIOLETA Y VISIBLE. -

Está constituido por bandas representativas de un gran número de transiciones. Las aplicaciones cualitativas de estas técnicas son bastante limitada. Sin embargo, la sensibilidad es relativamente alta, característica adecuada para aplicaciones cuantitativas.

EMISIÓN ULTRAVIOLETA Y VISIBLE. -

En la práctica se utiliza para fines cualitativos

Métodos espectroscópicos para determinar elementos en alimentos Elementos

Nutrientes Tóxicos: contaminante proceso, conservación

Nutrientes

Macro minerales: Na, K, Mg, Ca, P Presentes en plantas y animales Transporte iónico celular Micro minerales: Fe, Cu, Zn, Mn Nivel de trazas. Participan en reacciones bioqcas., enzimáticas y tienen valor nutricional Micro elementos: Co, Sc, V, Cr3+, Ni, Sn. Nivel de ultra-trazas. Aumento del metabolismo. Absorción de otros nutrientes (g-pgr)

Tóxicos

As, Pd, Al, B, Bi, Cr6+, Si, Ba, Ti, Sb, Li, Ag, Au, Pt, Pd, Ra, U, Zr Contaminación ambiental; polución filtros y catalizadores industriales (industria farmacéutica, petroquímica) envases, ollas, recipientes de cocina.

Absorción atómica Se pueden originar transiciones entre niveles externos o entre niveles internos de los átomos, según que la radiación absorbida sea ultravioleta-visible y de rayos X, respectivamente. Ejemplos de posibles transiciones y líneas en los átomos de Sodio y Potasio correspondiente a e- externos:

Figura. Diagrama de niveles de energía para el sodio y para el potasio Fig. Espectro de emisión del átomo de sodio. Los números indican las correspondientes longitudes de onda en angstroms. Los espectros de espectroscopia UV-visible atómicos son más sencillos que los moleculares porque no involucran subniveles vibracionales ni rotacionales.

Atomic spectrum: Sharp-line absorption and emission spectrum

Molecular spectrum: Broad-band absorption and emission spectrum

Función y condiciones de las llamas La llama tiene tres funciones básicas: permite pasar la muestra a analizar del estado líquido a estado gaseoso; descompone los compuestos moleculares del elemento de interés en átomos individuales o en moléculas sencillas y excita estos átomos o moléculas. Las condiciones que debe cumplir una llama para considerarla satisfactoria es que tenga la temperatura adecuada y que en ella se forme un ambiente gaseoso que permita las funciones mencionadas. Además, el ruido de fondo de la llama no debe interferir las observaciones a efectuar. Una llama típica consta de: cono interno, cono externo y zona entre conos como podemos observar en la siguiente figura.

El cono interno es la zona en que tiene lugar, generalmente, una combustión parcial, es decir sin equilibrio térmico. Esta zona se calienta por conducción y radiación a partir de la región más caliente que se encuentra sobre ella. En ella se forman los productos de oxidación intermedios, se produce una gran emisión de luz (a partir del combustible y no de la muestra), una elevada ionización y una gran concentración de radicales libres. Es muy poco utilizada para trabajo analítico. Inmediatamente encima de la región del cono interno se encuentra la zona interconal. Es la llamada parte caliente de la llama y en ella tiene lugar una combustión completa y se alcanza casi un equilibrio termodinámico. Esta llama es la que se utiliza prácticamente en análisis por fotometría de llama y espectroscopia de absorción atómica. La altura de esta zona sobre el quemador varía considerablemente con el tipo de quemador, la naturaleza de los gases utilizados y su velocidad de flujo. La región del cono externo es una zona de combustión secundaria en la que los productos parcialmente oxidados como el monóxido de carbono pueden completar su combustión. Esta región se enfría por el aire circundante y es, en general, una región poco útil.

FENÓMENOS QUE TIENEN LUGAR EN LA LLAMA 1. - Se evapora el agua o los otros disolventes dejando como residuo diminutas partículas de sal seca. 2. - La sal seca se vaporiza, es decir, pasa al estado gaseoso. 3. - Las moléculas gaseosas, o una parte de ellas, se disocian progresivamente dando lugar a átomos neutros o radicales. Estos átomos neutros son las especies absorbentes en espectroscopia de absorción atómica y son las especies emisoras en fotometría de llama. 4. - Parte de los átomos neutros se excitan térmicamente o se ionizan. La fracción excitada térmicamente es importante en análisis por fotometría de llama ya que el retorno al estado fundamental de los electrones excitados es el responsable de la emisión de la luz que se mide. 5. - Parte de los átomos neutros o de los radicales que se encuentran en la llama pueden combinarse para formar nuevos compuestos gaseosos. La formación de estos compuestos reduce la población de los átomos neutros en las llamas y constituye las llamadas interferencias químicas que se presentan en los métodos de análisis que utilizan llamas. La eficacia con que las llamas producen átomos neutros tiene mucha importancia. La llama de óxido nitroso- acetileno, que es más caliente que la de aire acetileno, parece ser más efectiva para la formación de átomos neutros. Los metales alcalinos son una excepción, probablemente debido a que la ionización es apreciable en la llama caliente. En cualquier caso, estos dos tipos de llama son los más adecuados para fotometría de llama y absorción atómica. A las temperaturas ordinarias de llamas es relativamente baja la fracción de átomos del estado fundamental que se excita. Únicamente si la temperatura de la llama es muy elevada la fracción de átomos excitados empieza a ser apreciable. Este hecho pone de manifiesto la necesidad de controlar la temperatura de la llama cuidadosamente para fotometría de emisión. Por el contrario, la fracción de átomos en el estado fundamental es muy elevada y, por lo tanto, pequeñas fluctuaciones en la temperatura de la llama no son importantes para el análisis por absorción atómica.

Atomización con llama En un atomizador con llama la solución de la muestra es nebulizada mediante un flujo de gas oxidante mezclado con el gas combustible y se transforma en una llama donde se produce la atomización. El primer paso es la desolvatación en el que se evapora el solvente hasta producir un aerosol molecular sólido finamente dividido. Luego, la disociación de la mayoría de estas moléculas produce un gas atómico. Tipos de llama Combusti ble LP Gas Gas LP Hidrógeno Hidrógeno Acetileno Acetileno Acetileno

Oxidante Aire Oxígeno Aire Oxígeno Aire Oxígeno Oxido nitroso

Tempera ttturatur 1700a27001900 2800 20002100 25502700 21002400 30503150 26002800

La ionización que tiene lugar en las llamas produce normalmente la pérdida de un sólo electrón y se puede representar: A

A+ + e -

A = átomo neutro A+ = su ion positivo e- = electrón libre Este proceso de disociación depende de la concentración o de la presión, ya que una especie se disocia en dos. Al aumentar la presión parcial de los átomos en la llama, el porcentaje de ionización disminuye tal como debe esperarse de la aplicación de la ley de Le Chátelier. A la temperatura de la llama acetileno-oxígeno la mayor parte de los elementos se encuentran apreciablemente ionizados. El grado de ionización del elemento a analizar puede disminuirse por adición de una elevada concentración de otro elemento que sea más fácilmente ionizable (tampón de radiación o supresor de ionización). Es preferible, por lo general, suprimir de este modo la ionización a utilizar temperaturas de llama más bajas que hacen aumentar las interferencias químicas.

EMISION ATOMICA: Fotometría de llama -

Se utiliza una llama como fuente de excitación, que es menos energética que el arco o la chispa. -El campo de aplicación de esta técnica está limitada a los elementos más fácilmente excitables, como alcalinos y alcalinotérreos.

Espectrometría de Emisión de plasma ICP (Plasma acoplado por inducción) -

La utilización de un plasma como fuente de excitación, ICP, presenta indudables ventajas relacionadas con su carácter multielemental (abarca casi todos los elementos), alta sensibilidad, gran intervalo de linealidad y buena selectividad.

ABSORCION ATOMICA:

Fotometría de llama Atomización electro térmica Generador de hidruros ICP Diagrama de bloque general Las fuentes, los selectores de longitud de onda y los detectores son iguales a los utilizados en Espectroscopia UV-visible molecular EMISION ATOMICA ABSORCION ATOMICA

ICP (Inductively Coupled Plasma) Actualmente, las tecnologías de espectroscopia atómica están tendiendo a migrar de la "absorción" AA a la "emisión". Esta tecnología es llamada Espectroscopia de Emisión Atómica por Plasma Acoplado Inductivamente, que da uso a otros tipos de descargas eléctricas, llamadas plasmas, estas fuentes han sido usadas como fuentes de atomización / excitación para AA. Estas técnicas incluyen el plasma inductivamente acoplado y el plasma acoplado directamente. El plasma es generado por el gas argón que es el comburente y el gas nitrógeno que es un carrier, adicionalmente es asistido por un gas de corte que es aire. El ICP permite analizar por efectos de ionización en elevadas temperaturas de plasma (8.000 ºK) inducido en campo magnético de argón casi la totalidad del sistema periódico exceptuando sodio, potasio y gases noble. Sistema del Quemador-Nebulizador El componente más importante en cualquier espectrofotómetro de absorción atómica es el sistema del nebulizador y quemador. Este sistema transforma a la sustancia problema de la solución en vapor atómico y, en emisión, excita a los átomos neutros (o moléculas) para que emitan su radiación característica. No debe existir efectos de memoria; es decir, el contenido de una muestra no debe afectar el resultado de otra muestra. Los otros requisitos del sistema son: facilidad de limpieza, resistencia a la corrosión y facilidad de ajuste. Debido a que la región optima de la flama que se vaya a utilizar varia para diferentes elementos, es esencial que la altura del quemador sea ajustable para asegurar la máxima señal de emisión o absorción. Se recomienda eliminar los productos de la combustión y el calor por medio de una campana de extracción de gases sobre el quemador. Tipos de quemadores: Quemador de flujo laminar o de premezclado Quemador atomizador o turbulento.

1. Quemador de Flujo Laminar o de Premezclado. La Figura muestra una vista interna de un sistema quemador para absorción atómica. En este sistema de premezcla, la solución de la muestra es aspirada a través de un nebulizador que genera un aerosol fino dentro de una cámara de mezcla. Aquí el aerosol de la muestra se mezcla con los gases combustible y oxidante y luego es llevado al cabezal del quemador en donde ocurre la combustión y la atomización de la muestra. El gas combustible es introducido a la cámara de mezcla a través de la entrada correspondiente y el oxidante entra a través del brazo lateral del nebulizador. Figura - Diagrama de un quemador de flujo laminar. 2. Quemador Atomizador o Turbulento. La muestra es aspirada por una boquilla de Venturi directamente a la flama, donde se consume en su totalidad. Sin embargo, el tamaño de gota no es uniforme. El diámetro promedio es de aproximadamente de 20 mm, aunque un número significativo de partículas tiene un diámetro mayor de 40 mm. Las gotas más grandes pasan a través de la flama sin ser evaporadas por completo, y dan como resultado una eficiencia pobre. - Diagrama de un quemador de flujo turbulento.

En AA la cantidad de luz absorbida después de pasar a través de la llama determina la cantidad de analito existente en la muestra. Hoy día se utiliza frecuentemente una mufla de grafito (u horno de grafito) para calentar la muestra a fin de desolvatarla y atomizarla, aumentando la sensibilidad. El método del horno de grafito puede también analizar algunas muestras sólidas o semisólidas. Debido a su buena sensibilidad y selectividad, sigue siendo un método de análisis comúnmente usado para ciertos elementos traza en muestras acuosas (y otros líquidos). Otro método alternativo de atomización es el Generador de Hidruros. Atomización electro térmica -Además de las llamas, se han empleado para la atomización el arco eléctrico, láser, plasmas y microondas de alta frecuencia, filamentos y bandas atomizadoras, así como hornos de alta temperatura que es el sistema que ha ofrecido mejores resultados. * Horno de grafito -

Es el tipo más común de atomización electro térmica. Se usa el fuerte calentamiento de una resistencia eléctrica para atomizar por completo una alícuota de muestra. El descubrimiento de la cubeta de L'vov (1969) hizo que por 1ª vez la técnica del horno se aplicase con éxito en análisis cuantitativo por absorción atómica. El método del horno de grafito puede también analizar algunas muestras sólidas o semisólidas. Debido a su buena sensibilidad y selectividad, sigue siendo un método de análisis comúnmente usado para ciertos elementos traza en muestras acuosas (y otros líquidos).

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El proceso de calefacción transcurre en tres etapas: secado, mineralización y atomización. - La temperatura exacta y la duración de cada etapa depende de la naturaleza del analito y tipo de muestra.

NATURALEZA DE LA SENAL DE ABSORCION ATOMICA ELECTROTERMICA (con el horno de grafito) - Se inyecta un pequeño volumen de muestra (como máximo 50 μl) en el horno. Después del tratamiento térmico se obtiene instantáneamente un vapor atómico muy concentrado y confinado en un pequeño espacio, que absorbe el haz de luz. El consumo de muestra es mayor en la llama. - En contraste con los métodos que utilizan llama, en los que se obtiene una señal continua de absorbancia, las señales generadas por atomización electro térmica son transitorias (discontinuas). - La absorción en la llama está directamente relacionada con la concentración de analito en la disolución problema, mientras que en el horno de grafito la absorción depende de la cantidad total de analito introducido, y no de la concentración de la muestra original (masa de analito = concentración x volumen). COMPARACION ENTRE ATOMIZACION ELECTROTERMICA Y POR LLAMA - Ventajas * Sensibilidad elevada. Se debe fundamentalmente a la alta eficacia del proceso de atomización (confinamiento espacio-temporal en el haz de luz). * Volúmenes de muestra pequeños. En general, se utilizan volúmenes comprendidos entre 0,5 y 10 μl.

* Tratamiento de la muestra in situ. La destrucción de la materia orgánica, junto con la posibilidad de analizar directamente líquidos viscosos e incluso sólidos, son ventajas importantes de este sistema de atomización. Inconvenientes * Menos reproducibilidad. La precisión de los métodos sin llama se encuentra normalmente en el intervalo del 5 al 10 %, frente al 1 % o menos que puede obtenerse al operar con llama. * Interferencias. Son, posiblemente, uno de los mayores problema de los atomizadores electro térmicos. Pueden ser de los tipos siguientes: -

-

Señales de fondo. Cuando se produce una gran concentración de la matriz vaporizada durante la atomización puede tener lugar la dispersión del haz incidente o la absorción por especies moleculares vaporizadas (Por ello lo más conveniente es un corrector de fondo de Zeeman). Efectos de memoria. La atomización incompleta de un elemento se realza en la siguiente determinación, al acumularse en el atomizador. Pérdidas por pirolisis. Cuando el analito está presente en la matriz en una forma significativamente volátil a la temperatura de mineralización. Formación de carburos. Puede influir sobre la cinética del proceso de atomización.

* Mayor tiempo de análisis que con llama. -

Pequeño intervalo analítico, que suele ser menor de dos órdenes de magnitud Precio elevado, además por la necesidad de renovar periódicamente el tubo de grafito.

FUENTES DE RADIACION •

Cada especie química es capaz, en condiciones adecuadas, de absorber sus propias radiaciones.

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Se han desarrollado las lámparas de cátodo hueco y las lámparas de descarga sin electrodos (menos usadas, ampollas con un gas del elemento metaloide que se excita por calentamiento con radiación microondas).

Lámpara de cátodo hueco

Pírex o cuarzo

M

Lámpara de cátodo hueco de 51 mm de diámetro (Series 600, 900 y 900C) para Perkin Elmer

1-5 torr

Para cada elemento se utiliza una lámpara, si bien se han comercializado lámparas de cátodo hueco multielementales como por ejemplo, Ca/Mg, Ag/Au, Cu/Pb/Zn, Co/Cr/Cu/Fe/Mn/Ni.

Cuando se aplica un potencial eléctrico del orden de 400 voltios entre el ánodo y el cátodo, los átomos del gas de relleno se ionizan. El gas inerte se ioniza debido a que el campo eléctrico aplicado da lugar al desprendimiento de electrones; los átomos quedan en forma de iones positivos. Estos iones son acelerados hacia el cátodo y chocan contra la superficie metálica del mismo (cátodo, cargado negativamente) y desalojando átomos metálicos individuales del mismo en un proceso llamado "desalojo". El gas excitado transfiere su energía al metal, y este pasa al estado excitado y el gas al estado basal. El metal en estado excitado libera el fotón volviendo también a su estado basal. No todas las líneas emitidas por la lámpara de cátodo hueco se absorben por los átomos presentes en la llama. Casi todos los átomos se encuentran en su estado basal; por lo tanto únicamente se absorben las líneas de emisión que correspondan a las transiciones electrónicas desde dicho estado. La señal es pulsada

Interferencias en absorción atómica Se conoce la absorción atómica como una técnica muy específica con pocas interferencias. Las interferencias en absorción atómica están bien definidas, como también los medios de tratarlas. Estas interferencias son las siguientes: 1. Matriz 2. Química 3. Ionización 4. Espectral 5. Absorción de Fondo

Ventajas y Desventajas de la Espectroscopia de Absorción Atómica. 1. Ventajas: 1. La sensibilidad es muy alta, mayor que con Emisión atómica. 2. Los límites de detección son bajos. 3. Rapidez de análisis: en la mayor parte de los casos no se requiere un pre tratamiento de la muestra, ya que por lo general únicamente se requieren diluciones. 4. Facilidad de operación. 5. Se pueden utilizar otras líneas diferentes a las líneas de resonancia para cada elemento. 2. Desventajas: 1. Fuente de luz. 2. Método destructivo de análisis. 3. No se pueden hacer determinaciones simultáneas de varios elementos. 4. Se necesitan estándares para comparar con el problema. Aplicación Práctica de la Espectroscopia de Absorción Atómica en el Análisis de Muestras: La Espectroscopia de Absorción Atómica es útil en la determinación de metales y metaloides en las siguientes clases de muestras: 1. Rocas, minerales, sedimentos y suelos. 2. Joyería 3. Pureza de reactivos 4. Fertilizantes 5. medicinas 6. cosméticos 7. Aire 8. Agua 9. Organismos (terrestres y acuáticos). 10. Bebidas y alimentos. 11. Productos minero-metalúrgicas. 7. Fluidos biológicos (sangre, orina, heces fecales, etc.).

Análisis Cuantitativo en Absorción Atómica. El proceso de la flama se ilustra en la Figura. La luz a la longitud de onda de resonancia, de intensidad inicial Po, es enfocada sobre la llama, que contiene átomos en estado fundamental. La intensidad inicial de la luz es disminuida en una cantidad determinada para la concentración de átomos en la llama. Luego la luz es enfocada o es dirigida sobre el detector donde se mide la intensidad disminuida, P. La cantidad de la luz absorbida se determina por comparar P a Po. La transmitancia es definida como la razón de la intensidad final a la intensidad inicial: T = P/Po Figura - Análisis cuantitativo por Absorción Atómica. La transmitancia es una indicación de la fracción de la luz inicial que pasa a través de la llama para incidir en el detector. El porcentaje de transmisión es simplemente la transmitancia expresada en términos de porcentaje: %T = 100 x P/Po. El porcentaje de absorción es el complemento del porcentaje de transmitancia y define el porcentaje de luz incidente que es absorbida en la llama: A = -Log P/Po.

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Curva de calibración Standard de alta pureza Se debe simular la matriz

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Métodos de análisis directo standard interno

En la región en la cual se observa la relación de la Ley de Lambert-Beer, la calibración produce una línea recta. Conforme se incrementa la concentración y la absorbancia, comportamiento no ideales de los procesos de absorción producen una desviación en el desarrollo de la línea recta, como se observa en la Figura.

Figura- Curva de calibración con tres estándares. Después de que se ha establecido la curva de calibración, se puede medir la absorbancia de soluciones de concentración desconocida (por ejemplo: aire, agua, suelo, sedimento, rocas y minerales, etc.) y su concentración directamente de la curva de calibración. En la instrumentación moderna, la calibración se puede hacer en el instrumento para proveer una lectura directa de la concentración desconocida. Desde el advenimiento de las microcomputadoras es simple la calibración exacta, aun en la región no lineal. Tabla 2.- Límites de detección (mg/l).

Elemento

Absorción Atómica por Flama

Emisión Atómica por Flama

Aluminio Antimonio Arsénico Bario Bismuto Boro Cadmio Calcio Cromo Cobalto Cobre Oro Hierro Plomo Litio Magnesio Manganes o Mercurio Molibdeno Níquel Niobio Fósforo

0.331,2 0.033 0.13 0.0081,2,5 0.023 0.71,2 0.00053 0.0013 0.0023 0.0063 0.0013 0.0063 0.0033 0.013 0.00053 0.000013 0.0013 0.23 0.031,2 0.0043 1.01,2,5 501,2

0.005 0.001 0.00003

Absorción Atómica por Horno de Grafito 0.00001 0.0002 0.0002 0.00004 0.0001 0.02 0.000003 0.00005 0.00001 0.00002 0.00002 0.0001 0.00002 0.00005 0.0003 0.000004 0.00001 0.002 0.00002 0.0001 0.04

NOTAS: 1. Flama Acetileno-Oxido Nitroso 2. Deflector de flujo en la cámara de premezclado 3. Esfera de impacto en la cámara de premezclado 4. Los límites de detección son medidos en 100 l de solución 5. Son adicionados 1000 mg/l de K para controlar la ionización. Fuente: Perkin-Elmer (1982).

Vapor Frio/hidruros

Plasma (ICP)

0.0001 0.00002 0.00002 0.0000018

0.02 0.05 0.0005 0.004 0.004 0.0001 0.005 0.006 0.003 0.003 0.001 0.008 0.01 0.02 0.05

Efecto de la hidrogenación de aceites comestibles • Muestra: aceite de soja líquido; aceite de soja hidrogenado sólido, aceite de palma natural •

Preparación: emulsificación EMULSI-MATETM 10 %, 5 % en agua caliente

•

Instrumental: DCP / ECHELLE Espectrómetro, Plasma de Argón Concentración / ppm Soja Metal Ti Fe Ni Co Cr Zn V

abs/nm

Líquido

Sólido

Palma natural

323.4 259.9 341.5 345.4 425.4 202.6

< 0.05 0.68 0.19 < 0.05 0.13 0.421

0.44 2.83 0.65 0.18 0.56 3.26

< 0.05 0.41 < 0.05 < 0.05 < 0.05 0.72

309.3

< 0.05

038

. < 0.05

Límite de detección: 50 ppb El tratamiento de hidrogenación contamina el aceite comestible Metales tóxicos: produce alergias o sensibilidades en el hombre Contaminación metálica de los alimentos por uso de vajilla metálica • Muestra: muestra homogeneizada de carne, tomate, cebolla y manteca • Preparación: cocción durante 30 min en a) cacerola de carámica, b) cacerola de Fe, c) sartén de Al cn Teflón, d) cacerola de acero inoxidable. Emulsificación EMULSI- MATETM 10 %, 5 % en agua caliente •

Instrumental: DCP / ECHELLE Espectrómetro, Plasma de Argón

Concentración / ppm Metal Al Ba Ti Fe Ni Co Cr Zn

abs/nm 396.1 455.4 323.5 259.9 341.4 345.4 425.4 202.5

a 84 63 147 58 3.2 29 4.6 34

b 6.9 < 0.05 < 0.05 0.18 < 0.05 < 0.05 < 0.05 4.2

c 58 1.4 6.8 25