Absorpcyjna spektrometria atomowa – omówienie techniki

Absorpcyjna spektrometria atomowa (w skrócie ASA) jest szeroko znaną na świecie techniką analityczną. Jej debiut przypada na lata pięćdziesiąte zeszłego stulecia, a mimo to jest jedną z najpopularniejszych technik ilościowej analizy śladowej. W niniejszym artykule postaramy się przybliżyć zagadnienie, jak również podać przykłady zastosowania techniki w poszczególnych branżach.

Absorpcyjna spektrometria atomowa – podstawy teoretyczne

Absorpcyjna spektrometria atomowa to technika polegająca w skrócie na pomiarze absorpcji energii świetlnej przez wolne atomy pierwiastków znajdujących się w przestrzeni pomiarowej. Cały proces opiera się o praktyczne zastosowanie prawa Lamberta-Beera w obliczeniach matematycznych pomiaru. Wynik ma charakter ilościowy – ilość zaabsorbowanego światła jest wprost proporcjonalna do stężenia danego pierwiastka w próbce.

Niezależnie od rodzaju atomizacji (a jest ich kilka), schemat pomiaru jest taki sam. Źródło światła emituje energię kierowaną na dwie ścieżki optyczne – ścieżkę pomiarową (przebywającą przez zatomizowaną próbkę w oknie pomiarowym) oraz referencyjną (przebywającą drogę wewnątrz analizatora). Światło następnie trafia do systemu izolacji konkretnej długości fali (najczęściej monochromatora). Fotodetektor jest ostatnim elementem, który znajduje się na ścieżce optycznej światła. Sygnał świetlny zostaje przekonwertowany w prąd elektryczny. Końcowym etapem jest algorytm obliczeniowy oprogramowania i wyświetlenie wyniku w przystępnej dla użytkownika postaci.

Rodzaje atomizacji w spektrometrach ASA

W zależności od aplikacji i rodzaju próbek należy odpowiednio dobrać atomizer dla spektrometru. Od tego wyboru zależy ilość pobieranego do pomiaru materiału, długość pomiaru, limity detekcji poszczególnych pierwiastków i cena całego układu.

Atomizer płomieniowy

W tym rozwiązaniu spektrometr wykorzystuje nebulizator do wytworzenia aerozolu. Materiał jest  następnie kierowany w stronę palnika. Tam miesza się z gazem palnym (zwykle są to acetylen i powietrze lub acetylen i podtlenek azotu) i spala w płomieniu. Właściwa atomizacja następuje w płomieniu na skutek wysokiej temperatury.

Metoda płomieniowa posiada swoje niewątpliwe zalety jakimi są szybkość pomiaru (od kilku do kilkunastu sekund) lub niskie koszty pomiaru i eksploatacji. Urządzenie wyposażone w atomizer płomieniowy będzie również mniej kosztowne od innych opcji. Do wad należą: duża ilość pobieranego materiału (kilka ml/min), dość wysokie limity detekcji (dla większości pierwiastków jest to rząd mg/l), wykorzystanie płomienia i niebezpieczeństwo z tym związane.

Spektrometr absorpcyjny wykorzystujący atomizację płomieniową najlepiej sprawdzi się w aplikacjach dokonujących częstych, powtarzalnych pomiarów niezbyt cennych próbek. Taki układ jest chętnie wybierany w badaniach próbek środowiskowych, np. wody, ścieków, odcieków.

Absorpcyjna spektrometria atomowa - atomizer płomieniowy ASA aa500

Rys. 1. Atomizer płomieniowy wykorzystywany w spektrometrze absorpcji atomowej AA500.

Atomizer elektrotermiczny

Do atomizacji elektrotermicznej używa się najczęściej kuwety grafitowej. Próbkę umieszcza się w kuwecie za wykorzystaniem autosamplera lub (coraz rzadziej) ręcznie z pomocą strzykawki. Atomizacja następuje w trakcie cyklu grzewczego kuwety (taki cykl grzania, studzenia i czyszczenia zajmuje do kilku minut).

Metoda atomizacji elektrotermicznej bardzo odbiega od alternatywnej metody płomieniowej. Jej zalety są również odmienne: wykluczenie wykorzystania płomienia (cały układ wykorzystuje jedynie prąd elektryczny i gaz inertny do przeprowadzenia pomiaru), niskie limity detekcji (dla większości pierwiastków µg/l, dla niektórych ng/l), odporność na trudną matrycę, czy minimalne wykorzystanie próbki (jedna kropla na powtórzenie). Do wad należą: długi czas pomiaru (kilka minut na powtórzenie), wykorzystanie gazu inertnego, wyższe koszty eksploatacji w porównaniu do metody płomieniowej.

Atomizer elektrotermiczny znajdzie zastosowanie wszędzie tam, gdzie wymagany jest dokładny i precyzyjny pomiar i niskie limity detekcji pierwiastków. Należy jednak zwrócić uwagę na czas pomiaru, który może sięgać do kilkunastu minut na próbkę. Metoda sprawdzi się więc głównie w takich branżach, jak: petrochemia, badania żywności, geologia, czy przemysł metalowy.

Źródło emitujące światło

W urządzeniach firmy PG Instruments jako źródeł światła używamy lamp z katodą wnękową – w ich wnętrzu, wypełnionym argonem lub neonem pod niskim ciśnieniem, znajduje się cylindryczna katoda (zbudowana z określonego pierwiastka) i anoda. Wysokie napięcie dostarczane do elektrod powoduje jonizację gazu wewnątrz lampy. Jony gazu są następnie przyspieszane i kierowane w stronę katody, na której rozpylone są atomy pierwiastka, który chcemy oznaczać – ich wzbudzenie generuje falę elektromagnetyczną o długości fali odpowiadającej długości fali badanego pierwiastka. W większości przypadków stosuje się lampy jednego pierwiastka ale występują również lampy dwu- bądź kilkupierwiastkowe, których anody zbudowane są z mieszaniny tych pierwiastków – czułość i precyzja jaką dają te lampy nie jest już tak wysoka jak w przypadku lamp jednopierwiastkowych, trzeba również zwracać uwagę na interferencje spektralne. W naszych urządzeniach mamy możliwość zamontowania do 8 lamp HCL.

Podsumowanie

Spektrometry absorpcji atomowej są bardzo często stosowane w badaniach laboratoryjnych z racji swej prostoty działania, wielu norm, które odnoszą się do tej techniki oraz niskiej ceny (w porównaniu z innymi technikami spektralnymi). Sekwencyjność pomiaru jaki odbywa się w spektrometrach ASA często wyklucza jego stosowanie. Niemniej, możliwość zamontowania kilku lamp w karuzeli pozwala zrekompensować, chociaż w jakimś stopniu ograniczenia techniki absorpcyjnej spektrometrii atomowej. Lampy HCL są również rozwiązaniem, które w największym stopniu pozwala na precyzyjne oznaczenie danego pierwiastka – to atomy tego pierwiastka generują fale. Spektrometry ASA firmy PG Instruments są bardzo ciekawą opcją na rynku spektrometrów – możliwość doboru urządzenia w zależności od potrzeb (metoda płomieniowa, kuwetowa lub tandem) w połączeniu z możliwością zamontowania aż do 8 lamp w karuzeli pozwala na bardzo wygodną i przyjemną pracę laboratoryjną dopasowaną do potrzeb danego Użytkownika. Prostota oprogramowania i jego intuicyjność pozwalają na obsługę urządzenia również przez osoby nieposiadające doświadczenia – duża ilość automatyzacji jest również pomocna w tym zakresie.

Spektrometr absorpcji atomowej aa500

Rys. 2. Spektrometr ASA firmy PG Instruments. Model AA500.