Espectrofotometría de absorción atómica

Una técnica estrechamente relacionada con la espectrometría de emisión de flama es laespectrofotometría de absorción atómica (AAS, atomic absortion spectrophotometry), porqueambas usan una flama como atomizador. Aquí se describirán los factores que afectanla absorción, y debido a la estrecha relación entre absorción atómica y fotometría de flama,se harán comparaciones entre las dos técnicas cuando corresponda.

PRINCIPIOSLa solución de la muestra se aspira y se introduce en una flama, como en la espectrometría de emisión de flama; el elemento en la muestra se convierte en vapor atómico. De esta manera, la flama contiene átomos del elemento; algunos son excitados térmicamente por la temperatura de la flama, pero casi todos permanecen en estado fundamental, como se ve en la tabla Estos átomos en estado fundamental pueden absorber radiación de determinada longitud de onda producida en una fuente especial que contenga a ese mismo elemento (ver “Fuentes”). Las longitudes de onda de la radiación emitida por la fuente son las mismas que absorben los átomos en la flama.El principio de la espectrofotometría de absorción atómica es idéntico al de la espectrofotometría de absorción descrita en el capítulo anterior. La absorción obedece la ley de Beer. Esto es, la absorbencia es directamente proporcional a la longitud de trayectoria en la flama* y a la concentración de vapor atómico en ella. Ambas variables son difíciles de determinar, pero se puede mantener constante la longitud de trayectoria y entonces la concentración del vapor atómico será directamente proporcional a la concentración del analito en la solución que se aspira. El procedimiento se puede utilizar para preparar una curva de calibración —de concentración en la solución— en función de la absorbencia.La desventaja principal de hacer mediciones por absorción atómica, como se verá adelante, es que para cada elemento se requiere una fuente diferente.

INSTRUMENTACIÓN

Como en la espectrofotometría normal de absorción, las necesidades para la espectrofotometría de absorción atómica son una fuente luminosa, una celda (la flama), un monocromador y un detector. La flama se sitúa entre la fuente y el monocromador. En la figura se ve un diagrama esquemático de un espectrofotómetro de absorción atómica. Se trata de un instrumento de haz doble que mide la relación de P0/P. El haz de la fuente se envía de manera alternada a través de la flama y en otra trayectoria que no pasa por ella mediante un espejo de sector que lo divide. El detector mide esta alternancia y despliega el logaritmo de la relación. El amplificador del detector se ajusta para sólo recibir radiación modulada a la frecuencia del espejo de sector y entonces se discrimina contra la emisión emitida por la flama.

Diagrama de un instrumento de absorción atómica . (según G.D. Christian y F. J. Feldman, Atomic Absorptions in Agriculture, Biology and Medicine, Neva Yorrk: Intercience, 1970. Reproducción autizada por John Wiley & Sons, Inc)

.Se requieren instrumentos de doble haz para la corrección de fondo si se usan lámparas continuas de deuterio (véase adelante). No obstante, el divisor de haz para obtener el haz doble reduce la energía radiante y causa mayores niveles de ruido (disminuye las relaciones de señal a ruido). Se encuentran disponibles instrumentos de un solo haz de fuente de alta energía que usan correcciones de fondo basados en una línea (miden la absorción del fondo con una línea cercana a la línea del analito); estos equipos proporcionan buenas relaciones de señal a ruido y son más pequeños e incluso más portátiles.A continuación se describen los diversos componentes de un espectrofotómetro de absorción atómica.

1. Fuentes. Se requiere una fuente de líneas nítidas en absorción atómica porque el ancho de la línea de absorción es muy estrecho —de unas milésimas a una centésima de nanómetro, cuando mucho—. Por ser una línea de absorción tan angosta, sólo se absorbe una pequeña fracción de la radiación producida en una fuente continua que pasa por la rendija y llega al detector.

La fuente que se usa casi exclusivamente es una lámpara de cátodo hueco (HCL,hollow-cathode lamp). Se trata de una fuente de líneas definidas que emite longitudes de onda específicas (en esencia, monocromáticas) cuya construcción básica se ilustra en la figura . Consiste en un cátodo cilíndrico hueco hecho del elemento que se va a determinar o alguna aleación del mismo y un ánodo de tungsteno. Ambos están encerrados en un tubo de vidrio que suele tener una ventana de cuarzo, porque con frecuencia las líneas de interés están en la región ultravioleta. El tubo se encuentra a presión reducida relleno con un gas inerte como argón o neón. Entre los electrodos se aplica un alto voltaje que causa la

ionización de los átomos del gas en el ánodo. Estos iones positivos son acelerados hacia el cátodo negativo, y cuando lo bombardean hacen que algo del metal se desprenday se evapore. El metal vaporizado se excita a niveles electrónicos más altos debido a las continuas colisiones con los iones gaseosos de alta energía; cuando los electrones regresan al estado fundamental emiten las líneas características de ese elemento metálico. También se emiten las líneas del gas de relleno, pero en general no están lo suficientemente cerca de las del elemento como para interferir.Estas líneas emitidas por la lámpara de cátodo hueco atraviesan la flama y pueden ser absorbidas por el elemento que se analiza debido a que poseen exactamente la energía necesaria (la longitud de onda adecuada) para producir transiciones electrónicas discretas.Con frecuencia la línea que se absorbe más intensamente es la que corresponde a la transición electrónica más probable, en general del estado fundamental al estado excitado más bajo. Ésta se denomina línea de resonancia. Las líneas de una lámpara de cátodo hueco son más estrechas que las de absorción del elemento en la flama; este ensanchamiento de la línea de absorción es consecuencia de la mayor temperatura y presión de la flama. De esta manera, se absorbe todo el ancho de la línea de la fuente. La mayor especificidad también se debe a que, mientras en una fuente continua un elemento que tuviera una línea de absorción en cualquier lugar del ancho de la rendija absorbería sólo parte de toda la radiación de esa fuente, las emisiones de una fuente de líneas no se absorberán a menos que las líneas de absorción del elemento coincidan con ellas. Hay muy pocos casos en los que sí hay traslape de líneas de diferentes elementos.

Diseño de una lámpara de catodo hueco.

A veces es posible usar una aleación de varios elementos para fabricar el cátodo hueco y con esas lámparas se emiten las líneas de todos los elementos; se trata de las denominadas lámparas multielementos de cátodo hueco, y pueden usarse normalmente como fuentes para dos o tres elementos. Tienen menor vida útil que las lámparas de un solo elemento debido a la volatilización selectiva (“destilación”) de uno de los elementos del cátodo, el cual se condensa en las paredes de la lámpara.

2. Quemadores. El quemador que se usa en la mayor parte de los instrumentos comerciales es el quemador con cámara de premezcla, que a veces se llama quemador de flujo laminar y que se representa en la figura 3. El combustible y

los gases de soporte se mezclan en una cámara antes de entrar a la cabeza del quemador (a través de una rendija), donde se queman. La solución de la muestra se aspira a través de un capilar gracias a un efecto Venturi creado con el gas de soporte para la aspiración, que suele ser aire. El aire crea un vacío parcial al final del capilar y succiona la muestra por éste. La muestra se divide y forma una aspersión fina en la punta o proceso normal de nebulización.4 Las gotas más grandes del aerosol que se produce se condensan y drenan de la cámara. Las restantes se mezclan con los gases de combustión y entran a la flama. Hasta 90% de las gotitas se condensan y salen, y sólo 10% entra a la flama.En general, los quemadores de premezcla se limitan a flamas con rapidez de quemado relativamente baja. Aunque una gran parte de la muestra aspirada se pierde en la cámara, la “eficiencia de atomización”, que es la eficiencia de producción de vapor atómico de la parte de la muestra que llega a la flama, es alta porque las gotitas son más finas. También la longitud de la trayectoria es grande. La combustión con quemadores de premezcla es muy relajada. Una versión popular de los quemadores de premezcla es el quemador Boling.Se trata de un quemador de cabeza con tres ranuras que produce una flama más amplia y causa menor distorsión de la radiación cuando atraviesa las orillas de ésta (véase la figura3). Sin embargo, este quemador se deforma con mayor facilidad que otros y se debe tener cuidado para no sobrecalentarlo.

3. Flamas. Las principales flamas que se usan en espectrometría de absorción y emisión atómica se muestran en la tabla 17.2 con sus temperaturas máximas de combustión. Las flamas que más se usan para absorción atómica son la flama de aire-acetileno y la de óxido nitroso-acetileno. Esta última, de alta temperatura, no se requiere e incluso puede ser perjudicial para muchos casos en absorción atómica debido a que causa la ionización de los átomos gaseosos (véase más adelante). Sin embargo, es útil para elementos que tienden a formar óxidos termoestables en la flama de aire-acetileno (los “elementos refractarios”). La flama de aire-acetileno y de otros hidrocarburos absorbe una gran fracción de la radiación a longitudes de onda menores a 200 nm. y para esa región del espectro se prefiere una flama de argón-hidrógeno con admisión de aire para tener la máxima capacidad de detección. Se trata de una flama incolora, y el gas oxidante real es el aire. Se usa para elementos como el arsénico (193.5 nm) y el selenio (197.0 nm) cuando se separan de sus soluciones por volatilización en forma de hidruros (AsH3, H2Se, etc.) y van a la flama como tales. Lo anterior es necesario porque esta flama fría es más propensa a tener más interferencias químicas que otras flamas (véanse los párrafos siguientes). Una flama de óxido nitroso-acetileno ofrece una ventaja en esta región del espectro cuando existe el peligro de interferencia molecular; la absorción de la flama es relativamente pequeña a longitudes de onda corta.

En espectrometría de emisión de flama se requiere una flama caliente para analizar una gran cantidad de elementos, y por ello se recurre a la de óxido nitroso-acetileno. La flama de oxiacetileno tiene gran rapidez de quemado y no se puede usar con un quemador de premezcla convencional. Sin embargo, la de óxido nitroso-acetileno sí se puede usar con quemadores de premezcla. Debido a sus altas temperaturas debe usarse una cabeza de quemador de acero inoxidable especial y gruesa. En el caso de la espectrometría de emisión de flama de los elementos sodio y potasio, fácilmente excitables, se prefiere una flama“fría” de aire-propano o similar debido a la menor ionización de estos elementos.

Sistemas de atomización

Históricamente la llama ha desempeñado un papel importante en absorción atómica para la generación de vapor atómico a partir de disoluciones, o incluso de muestras sólidas. Actualmente, y a pesar de sus limitaciones, todavía se utiliza muy extensamente, debido a su sencillez, bajo coste del equipo y su versatilidad para varios elementos de diferente naturaleza. En cuanto al quemador el más utilizado es el de pre-mezcla, que opera en régimen laminar y que esquemáticamente

Detectores

El detector universalmente usado en absorción atómica es el tubo fotomultiplicador, ya que ningún otro sistema ofrece la misma sensibilidad en el margen de longitudes de onda utilizado en esta técnica.

INTERFERENCIASLas interferencias se agrupan en tres clases: espectrales, químicas y físicas. Se describirán en forma breve y se señalarán sus efectos relativos en mediciones de emisión y absorción.1. Interferencias espectrales. En los análisis de emisión, cuando otra línea de emisión o banda de emisión molecular está cerca de la línea emitida por el elemento analizado y el monocromador no es capaz de resolverlas, se produce interferencia espectral. El riesgo más probable se debe a la emisión molecular, como la de óxidos de otros elementos en la muestra. Se podría presentar una interferencia parecida en absorción atómica si se usase un instrumento de corriente directa, pero se elimina con uno de corriente alterna. Por otra parte, si un elemento o molécula es capaz de absorber la radiación de la fuente, se presentaría una interferencia positiva en absorción atómica. Con fuentes de líneas este peligro se minimiza, pero no se elimina.

La dispersión o absorción de la luz por partículas sólidas, gotitas de disolvente no vaporizadas o especies moleculares en la flama causan una interferencia positiva en espectrofotometría de absorción atómica. Este problema se presenta en especial a longitudes de onda menores de 300 nm cuando se aspiran soluciones salinas de alta concentración, porque puede ser que la sal no se haya desolvatado por completo o que sus moléculas no se hayan disociado en átomos. Esta absorción de fondo se puede compensar midiendo la absorbencia de una línea cercana a la línea de absorción del elemento que se analiza y que no sea absorbida por el elemento mismo. Como la absorción de interferencia se presenta en una banda de longitudes de onda, la absorbencia será esencialmente igual a variosangstroms de distancia de la línea de resonancia.La medición debe hacerse al menos a dos anchos de banda espectral (capítulo 16) alejada de la línea de absorción. La línea usada para la corrección puede ser una línea del gas de relleno de la lámpara de cátodo hueco o una línea “de no resonancia” del elementoque no se absorbe, o se puede usar una línea cercana producida por una segunda lámparade cátodo hueco. Siempre se debe aspirar una solución del elemento que se analiza paraverificar que no absorba la línea de corrección de fondo. En esta técnica se requieren dosmediciones separadas de la muestra.También se puede efectuar una corrección de fondo para absorción de banda anchaen la región UV (donde la mayor parte de los elementos absorben y la absorción de fondoes más notable) con una fuente continua de hidrógeno o deuterio. En la región visible sepuede usar una fuente continua de tungsteno. El monocromador se ajusta a la misma longitudde onda que la de la línea de resonancia. Se supone que la absorción de una líneanítida de la fuente continua por parte del elemento que se analiza es despreciable en comparacióncon la del fondo ancho sobre el ancho de banda del monocromador, y entoncesla absorbencia de la fuente continua sólo se debe restar de la absorbencia de la línea deresonancia de la lámpara de cátodo hueco. Ésta es la base de los correctores automáticosde fondo comerciales. Un espejo hace pasar en forma alterna la radiación del cátodo huecoy la radiación continua; se mide la absorción de cada una y se resta automáticamente laabsorbencia de la fuente continua de la de absorbencia del cátodo hueco para obtenerla absorbencia neta de línea nítida producida por el elemento de prueba. De este modo sólose requiere una sola medición.

2. Interferencia por ionización. En flamas muy calientes se pueden ionizar fraccionesapreciables de elementos alcalinos y alcalinotérreos y otros más. Como se están midiendo

átomos no ionizados, éstos pueden disminuir las señales de emisión o de absorción.En sí, esto no es necesariamente grave, excepto que puede disminuir la sensibilidad yla linealidad. No obstante, la presencia de otros elementos fácilmente ionizables en lamuestra adicionará electrones libres a la flama y limitará la ionización del elemento quese analiza, lo que causará mayor emisión o absorción e interferencia positiva. La interferenciapor ionización se puede eliminar normalmente agregando la misma cantidad delelemento que interfiere a las soluciones estándar, o de manera más simple, agregandograndes cantidades a las muestras y a los estándares para que la intensificación sea constantey la ionización mínima. En general, se puede detectar la ionización cuando la curva decalibración tiene una desviación positiva o una curvatura ascendente a concentracioneselevadas debido a que una considerable fracción de los átomos se ionizan a bajas concentraciones.

3. Formación de compuestos refractarios. La solución de la muestra puede conteneruna sustancia (por lo general un anión) que podría formar en la flama un compuestorefractario (o termoestable) con el elemento que se analiza. Por ejemplo, el fosfato puedereaccionar con los iones calcio en la flama para producir pirofosfato de calcio, Ca2P2O7;esto causa una reducción en la absorbencia, porque el calcio debe estar en forma atómicapara absorber su línea de resonancia. En general, este tipo de interferencia se puede reduciro eliminar químicamente. En el ejemplo anterior, se puede agregar a la solución unaalta concentración (casi 1%) de cloruro de estroncio o nitrato de lantano. El estroncio o ellantano, llamados agentes liberadores, se combinarán de preferencia con el fosfato y evitaránque reaccione con el calcio. También se puede añadir a la solución una alta concentraciónde EDTA para formar un quelato con el calcio que evite su reacción con el fosfato;el quelato de calcio-EDTA se disocia en la flama produciendo vapor de calcio libre. Esostipos de interferencia pueden presentarse en la espectrometría de absorción atómica y laespectrometría de emisión de flama. También se pueden eliminar usando una flama demayor temperatura, como la de óxido nitroso-acetileno.Cuando el metal analito reacciona con los gases presentes en la flama ocurre una

situación importante. Los elementos refractarios, como aluminio, titanio, molibdeno yvanadio pueden reaccionar con O y OH en la flama y generar óxidos e hidróxidos metálicostermoestables. Algunos de estos elementos no producen absorción o emisión apreciableen la flama convencional de aire-acetileno. Una flama más adecuada para esoselementos es la de óxido nitroso-acetileno, que suele usarse en la condición reductora (ricaen combustible), donde se produce una gran zona de reacción secundaria en forma depluma roja. Esta zona roja se produce por la presencia de CN, NH y otros radicales muyreductores. Estos radicales (o la ausencia de especies oxigenadas), combinados con la altatemperatura de la flama, descomponen o evitan la formación de óxidos refractarios, lo quepermite la producción del vapor atómico del metal.4. Interferencias físicas. La mayor parte de los parámetros que afectan la rapidez deflujo de la muestra al quemador y la eficiencia de atomización se pueden considerar interferenciasfísicas. Esto incluye aspectos como variaciones en la rapidez del flujo de gases,en la viscosidad de la muestra debido a la temperatura o en el disolvente, un alto contenidoen sólidos y cambios en la temperatura de la flama. En general, estas interferencias sepueden compensar calibrando con frecuencia y usando estándares internos. Algunos instrumentostienen la capacidad de usar patrones internos que puedan compensar parcialmentecambios en los parámetros físicos. Véase más adelante.

PREPARACIÓN DE LA MUESTRA: A VECES ES MÍNIMALa preparación de una muestra con frecuencia se puede reducir al mínimo mediante losmétodos de flama. Cuanto más estén ausentes las interferencias químicas o espectrales,en esencia todo lo que se requiere es obtener la muestra en forma de solución diluida yfiltrada (con eliminación de partículas suspendidas). No es común que haya diferenciarespecto a la forma química en que se encuentre el analito debido a que se disocia en elvapor elemental libre en la flama. De este modo, se pueden determinar varios elementosen sangre, orina, líquido cefalorraquídeo y otros fluidos biológicos por aspiración directade la muestra. En general, es necesario diluir con agua para evitar que se obstruya el quemador.Considérese que en la preparación de los patrones siempre deben coincidir las matricesdel analito; así, si se va a determinar la existencia de plomo en gasolina, se debe

usar una matriz simulada del disolvente para obtener las soluciones estándar, no agua.A menudo se pueden evitar las interferencias químicas sólo con añadir (o diluir) unasolución de un reactivo adecuado. Por ejemplo, se diluye el suero 1:20 con una soluciónque contenga EDTA para determinar calcio y evitar la interferencia por parte del fosfato.

Se agregan sodio y potasio en concentraciones iguales a las que se encuentran en el sueroa los estándares de calcio para evitar interferencias por ionización.En la referencia 9 se presenta un panorama de las aplicaciones de la espectrofotometríade absorción atómica a muestras biológicas. Esta técnica se usa mucho en análisisde metales en fluidos y tejidos biológicos; en muestras de medio ambiente, como aire yagua, y en áreas de la salud y la seguridad ocupacional. En general, la aplicación sistemáticade la espectrometría de emisión de flama se limita a los metales alcalinos y alcalinotérreos.Las mediciones con electrodos selectivos de iones (capítulo 13) han reemplazadoen gran medida a las de emisión de flama en el laboratorio de química clínica.CAPACIDADES RELATIVAS DE DETECCIÓN EN ESPECTROMETRÍADE ABSORCIÓN ATÓMICA Y DE EMISIÓN DE FLAMALa tabla 17.3 es una lista representativa de algunos límites de detección para diversoselementos por espectrometría de absorción atómica y espectrometría de emisión de flama.Se debe diferenciar entre límite de sensibilidad y de detección. El primero de los términos seusa con frecuencia en las publicaciones escritas sobre absorción atómica. Sensibilidadse define como la concentración necesaria para producir 1% de absorción (0.0044 A);ésta es una medida de la pendiente de la curva de calibración analítica y no dice nadaacerca de la relación de señal a ruido (S/N, signal-to-noise). El límite de detección sesuele definir como la concentración requerida para producir una señal igual a tres vecesla desviación estándar de la línea base (blanco). Véase el capítulo 3.En general, la absorción atómica tiene mayor capacidad de detección para los elementosque emiten por debajo de los 300 nm debido a la gran energía térmica necesariapara excitar a los átomos por emisión a esas longitudes de onda, pero a longitudes de ondaentre 300 y 400 nm cualquiera de los métodos puede tener capacidades comparables dedetección, si bien la emisión de flama en general es superior en la región del visible.

7.0. CARACTERÍSTICAS Y EQUIPOS DISPONIBLES

7.0.1. Características más importantes.

ESPECTROSCOPIA DE EMISION

Aplicaciones principales: Análisis cualitativo y cuantitativo de muchos elementos.

Fenómeno atómico: Emisión de luz por estados electrónicos excitados de los átomos

Ventajas en el análisis cualitativo: General para todos los elementos metálicos; análsisi simultáneo de los elementos metálicos

Ventajas en el análisis cuantitativo: General para todos los elementos metálicos. En muchos casos alta sensibilidad.

Muestra promedio deseable:0.25 – 2 g

Limitaciones del método: Sensibilidad limitada para los halógenos y otros no metales

Limitaciones para la muestra: La mayoría de muestras orgánicas líquidas y sólidas requieren de digestión antes del análisis. .

ESPECTROSCOPIA DE ABSORCIÓN

Aplicaciones principales: Análisis cuantitativo de precisión para un metal dado.

Fenómeno atómico: Absorción de la línea atómica característica

Ventajas en el análisis cualitativo: No es aplicable

Ventajas en el análisis cuantitativo: Análisis rápido y fiable de un elemento dado. En algunos casos alta sensibilidad

Muestra promedio deseable:100 mg

Limitaciones del método: Los metales se analizan individualmente no simultáneamente. Por lo general no es aplicable a no metales

Limitaciones para la muestra: La mayoría de muestras orgánicas líquidas y sólidas requieren de digestión antes del análisis

7.0.2. Equipos disponibles en los Servicios Técnicos de investigación de la Universidad de Alicante.

Espectroscopia de Absorción Atómica

El equipo disponible es un Perkin-Elmer modelo 2100 que tiene la posibilidad de trabajar bajo las modalidades de:

- Llama (aire/acetileno y nitroso/acetileno).- Horno de Grafito mod. HGA-700 con un inyector automático de muestras

modelo AS-70.- Generador de Hidruros modelo MHS-10.

Espectroscopia de emisión por plasma de acoplamiento inductivoEn la actualidad se cuenta con los siguientes equipos:

- Espectrómetro de emisión óptico con plasma de acoplamiento inductivo Perkin Elmer Optima 3000 (con visión radial).

- Espectrómetro de emisión óptico con plasma de acoplamiento inductivo Perkin Elmer 4300 (con visión axial y radial).

Los dos equipos utilizan recirculadores de agua con circuito cerrado para la refrigeración y utilizan como fuente principal Argon.

Perkin Elmer Optima 3000 Perkin Elmer Optima 4300

Espectrometría de masas por plasma de acoplamiento inductivoEspectrómetro de masas con plasma de acoplamiento inductivo (ICP-MS), Marca:  THERMO ELEMENTAL, Modelo:   VG PQ-ExCell. Dispone de la innovadora tecnología de la celda de colisión. Con este sistema de medida el haz iónico se inyecta en una celda de colisión presurizada que contiene una gas de reacción/colisión (He/H2). Cuando los iones poliatómicos, causantes de interferencias, colisionan con el gas de reacción de la celda, estos se disocian en sus átomos o iones. El resultado es una atenuación significativa de las interferencias causadas por iones poliatómicos mientras la transmisión de los iones del analito no se ve afectada.