Atomabszorpciós spektrometria Ph.Hg.VIII. - Ph.Eur.6.0-1

Átírás

1 Atomabszorpciós spektrometria Ph.Hg.VIII. - Ph.Eur ATOMABSZORPCIÓS SPEKTROMETRIA 01/2008:20223 ALAPELV Atomabszorpció akkor jön létre, amikor egy alapállapotú atom adott hullámhossszú elektromágneses sugárzást nyel el és ezáltal gerjesztett állapotba kerül. Az alapállapotú atomok a rezonanciafrekvenciájuknak megfelelő energiát nyelik el, és a rezonancia-abszorpció révén gyengítik az elektromágneses sugárzást. Az energia abszorpciója gyakorlatilag közvetlenül a jelenlévő atomok számától függ. Jelen fejezet általános tájékoztatásként szolgál és definiálja az atomabszorpciós spektrometriás elemmeghatározás során használt atomizációs eljárásokat, mint a láng, a grafitkemencében végzett elektrotermikus elpárologtatás, a hidridképzés vagy higany esetében a hideggőz technika. Az atomabszorpciós spektrometria olyan technika, amely lehetővé teszi a mintából származó gőzállapotú atomok által elnyelt elektromágneses sugárzás mérése révén a minta egy adott eleme koncentrációjának meghatározását. A meghatározást a kérdéses elem egyik abszorpciós (rezonancia-) vonalának megfelelő hullámhosszon végezzük. A Lambert-Beer törvény szerint az elnyelt sugárzás mennyisége arányos az elem koncentrációjával. KÉSZÜLÉK A készülék alapvetően a következő részekből áll: sugárforrás; mintaadagoló egység; atomizáló egység; monokromátor vagy polikromátor; detektor; adatfeldolgozó egység. A készüléket rendszerint háttérkorrekciós rendszerrel szerelik fel. Sugárforrásként vájtkatód lámpák vagy elektród nélküli kisülési csövek (EDL) használatosak. Az ilyen lámpák emissziós spektruma a meghatározandó elem nagyon keskeny, kb. 0,002 nm félértékszélességű vonalaiból áll. Háromféle mintaatomizáló egység létezik: Lángos technika A lángatomizációs egység egy pneumatikus aeroszol-előállító kiegészítő elemmel ellátott porlasztó rendszerből, egy gázáramlás szabályozó egységből és egy égőfejből áll. A mintegy K hőmérséklet előállítása általában egy éghető gáz és egy égést tápláló gáz elegyével történik. Éghető gázként propán, hidrogén vagy acetilén, égést tápláló gázként levegő vagy dinitrogén-oxid használható. Az égőfej felépítése az alkalmazott gázokhoz igazodik, amelyek áramlási sebessége szabályozható. A beporlasztott vizsgálati és összehasonlító oldatokat megsavanyított vízzel készítjük. Szerves oldószerek is használhatók, amennyiben biztosítjuk, hogy az oldószer nem zavarja a láng stabilitását.

2 Atomabszorpciós spektrometria Ph.Hg.VIII. - Ph.Eur Elektrotermikus atomizációs technika Az elektrotermikus atomizáló egység általában egy csőalakú grafitkemencéből és egy elektromos tápegységből áll. A grafitkemencében végbemenő elektrotermikus atomizáció a teljes mintát atomizálja, és az atomos állapotú gőzöket hosszabb ideig a fényútban tartja, ami által javul a kimutatási határ. A folyadék vagy szilárd halmazállapotú mintákat egyaránt közvetlenül a grafitkemencébe juttatjuk, amelynek fűtése egy több lépésből álló programmal történik. Ennek során a mintát szárítjuk, a mátrixkomponenseket pirolízissel eltávolítjuk, végül a mérendő komponenst teljes egészében atomizáljuk. A kemence tisztítását az atomizációs hőmérsékletnél magasabb hőmérsékleten végezzük. Amennyiben a pirolízis közben a grafitkemence csövön inert gázt áramoltatunk át, az azt követő atomizációs lépés hatékonysága javítható. Hideggőz és hidrid technika Atomos állapotú gőz a spektrométer terén kívül is előállítható. Különösképpen igaz ez a higanyra alkalmazott hideggőz technika vagy egyes hidridképző elemek, például az arzén, az antimon, a bizmut, a szelén vagy az ón esetében. Higany mérésekor az atomok előállítása ón(ii)-kloriddal vagy nátrium-borohidriddel történik, és az atomos állapotú gőzt inert gázáram juttatja a készülék fényútjába szerelt hideg kvarcküvettába. Az azonos módon előállított hidrideket az inert gáz egy fűtött cellába juttatja, és az atomizálódás a cella a terében megy végbe. INTERFERENCIÁK Az atomabszorpciós mérések során kémiai, fizikai, ionizációs és spektrális interferenciák léphetnek fel. A kémiai interferenciát mátrixmódosítók vagy mentesítőszerek hozzáadásával, illetve magas hőmérsékletet biztosító dinitrogén-oxid acetilén láng alkalmazásával lehet ellensúlyozni. Specifikus ionizációs pufferek használatával az ionizációs interferenciát lehet kiküszöbölni. A nagy sótartalom vagy viszkozitás által előidézett fizikai interferencia a minta hígításával, standard addíciós módszerrel vagy mátrixillesztéssel szüntethető meg. A spektrális interferenciákat a rezonanciavonalak átlapolása okozza. Ez a zavaró hatás elkerülhető az ilyen vonaltól eltérő vonalon történő méréssel. Zeeman háttérkorrekció alkalmazása szintén kiküszöböli a spektrális interferenciát, továbbá a molekuláris abszorpciót is, különösképpen az elektrotermikus atomizációs technika esetében. A többelemes vájtkatód lámpák is okozhatnak spektrális interferenciát. A specifikus vagy nem specifikus abszorpciót a monokromátor spektrális sávszélessége által meghatározott tartományban (0,2-2 nm) mérjük. HÁTTÉRKORREKCIÓ A láng- és elektrotermikus atomizációs technikákban a fényszórás és a háttér növeli a mért abszorbancia értékeket. A háttérabszorpció nagy hullámhossz-tartományt fed le, míg az atomabszorpcióra jellemző hullámhossztartomány igen szűk: kb. 0,005-0,02 nm. A háttér által okozott fényelnyelés ugyan elméletileg korrigálható olyan üres oldat alkalmazásával, amelynek összetétele pontosan megfelel a mintáénak (a mérendő elem kivételével), ám ez a módszer gyakran nem praktikus. Az elektrotermikus atomizációs módszer használatakor a pirolízis hőmérsékletét optimalizálni kell, abból a célból, hogy a mátrix háttérabszorpciót okozó bomlástermékeit eltávolítsuk. Háttérkorrekciót két különböző fényforrással is végezhetünk, amikor a vájtkatód lámpa a teljes abszorpciót (elem + háttér), egy folytonos emissziójú deutériumlámpa pedig a hátteret méri. A korrekció ilyenkor úgy történik, hogy a vájtkatód lámpa által szolgáltatott jelből kivonjuk a deutériumlámpa jelét. Ez a módszer korlátozott spektrumtartományban alkalmazható, mivel a deutériumlámpa emissziós spektruma a nm tartományt fedi le. Úgy is végezhetünk

3 Atomabszorpciós spektrometria Ph.Hg.VIII. - Ph.Eur háttérkorrekciót, hogy egy, a rezonanciavonal közelében lévő, de fényelnyelést nem mutató vonalon olvasunk le abszorbancia értékeket, majd az eredményt kivonjuk a rezonanciavonalon kapott értékből. További lehetőséget ad a háttérkorrekcióra a Zeeman-effektus (az abszorpciós vonal mágneses térben végbemenő Zeeman-felhasadása). Ez különösen akkor hasznos, ha a háttérabszorpció finom struktúrájú. A korrekció hatékonyan működik a nm spektrumtartományban. A MŰKÖDÉSI KÖRÜLMÉNYEK MEGVÁLASZTÁSA Miután az adott elemre kiválasztottuk az alkalmas hullámhosszt és résszélességet, tisztázni kell, hogy az alábbi műveletek közül melyeket szükséges elvégezni: korrekció a nem specifikus háttérabszorpcióval; kémiai módosítók és ionizációs pufferek hozzáadása a mintához, továbbá az üres és összehasonlító oldatokhoz; a minta hígítása, például a fizikai zavaró hatások kiküszöbölésére; a hőmérsékleti program részletes kidolgozása (előfűtés, szárítás, pirolízis, atomizálás, utóatomizálás, a felfűtési időkkel és az időtartamokkal); inert gáz áramoltatása; mátrixmódosítók használata elektrotermikus atomizáció (grafitkemence) esetén; redukálószerek alkalmazása higany vagy más hidridképző elemek mérésére, illetve hideggőz küvetta használata és a cella fűtési hőmérsékletének megállapítása; a kemence kialakításának megadása (grafitkemence-tartó, L vov platform stb.). MÓDSZER Amikor csak lehetséges, műanyag laboratóriumi eszközök használata ajánlott. A mintaelőkészítés a mintamátrix bontása és/vagy a széntartalmú anyagok eltávolítása céljából hígítási, roncsolási (többnyire mikrohullámmal) vagy izzítási lépésekből, illetve ezek kombinációjából állhat. Amennyiben nyitott rendszerben dolgozunk, egyes fémek illékonysága miatt az izzítási hőmérséklet nem haladhatja meg a 600 C-ot, hacsak a cikkely másképpen nem rendelkezik. Az atomabszorpciós készüléket a gyártó utasításainak megfelelően, az előírt hullámhosszon működtetjük. Az atomforrásba üres oldatot viszünk be, és a készülékről leolvasott értéket úgy állítjuk be, hogy az maximális transzmittanciát jelezzen. A vakérték úgy határozható meg, hogy a nullázáshoz az oldószert használjuk. A készülékbe a legtöményebb összehasonlító oldatot juttatjuk be, és az érzékenységet úgy állítjuk be, hogy a leolvasott abszorbanciaérték maximális legyen. Ezután a rendszert alaposan átmossuk, hogy elkerüljük a szennyezést és a memóriaeffektust. Az elemzés végeztével a rendszer mosását R vízzel vagy megsavanyított vízzel végezzük. Amennyiben szilárd fázisú mintavételt kell alkalmazni, az eljárás részletes leírását a cikkely tartalmazza. Biztosítani kell, hogy a mérendő koncentrációk a kalibrációs függvény lineáris szakaszára essenek. Ha ez nem lehetséges, a kalibrációs függvények görbeként is értelmezhetők, alkalmazásukhoz ilyenkor megfelelő kalibrációs szoftvert kell használni.

4 Atomabszorpciós spektrometria Ph.Hg.VIII. - Ph.Eur A meghatározások olyan összehasonlító oldattal történő összehasonlításon alapulnak, amely a meghatározandó elemet ismert koncentrációban tartalmazza. Ilyen célra közvetlen kalibrálás (I. Módszer) vagy standard addíciós módszer (II. Módszer) használható. I. MÓDSZER KÖZVETLEN KALIBRÁCIÓ A rutin mérések esetében három összehasonlító oldatot és egy üres oldatot készítünk, illetve vizsgálunk. A vizsgálandó anyag oldatát (vizsgálati oldat) a cikkely előírásainak megfelelően készítjük. Legalább három, a vizsgálandó elemet tartalmazó összehasonlító oldatot készítünk, olyan töménységben, hogy a vizsgálati oldat várható tartalma a legkisebb és a legnagyobb koncentráció közé essen. Tartalmi meghatározásnál a kalibrációs szintek optimális esetben a mérendő elem várható koncentrációjának, illetve a cikkelyben előírt határértéknek 0,7 és 1,3-szerese közé esnek. Tisztasági vizsgálatnál a kalibrációs szinteknek a kimutatási határ és a mérendő elem határértékének 1,2-szerese között kell lenniük. Bármely olyan reagenst, amelyet a vizsgálati oldat készítésénél alkalmaztunk, azonos koncentrációban az összehasonlító oldatoknak és az üres oldatnak is tartalmaznia kell. A stabil leolvasás érdekében valamennyi oldatot azonos számú ismétléssel juttatunk a készülékbe. Számolás. Az összehasonlító oldatok leolvasott értékeinek átlagát a koncentráció függvényében ábrázolva kalibrációs görbét veszünk fel. A mérendő elem koncentrációját a vizsgálati oldatban a kalibrációs görbe alapján határozzuk meg. II. MÓDSZER STANDARD ADDÍCIÓ Az előirat szerint készített vizsgálandó anyag oldatának (vizsgálati oldat) azonos térfogatrészeit legalább három egyforma mérőlombikba visszük. Egy kivételével valamennyi lombik tartalmához rendre olyan összehasonlító oldat egyre nagyobb térfogatrészeit adjuk, amelyben a meghatározandó elem ismert koncentrációban van jelen. A hozzáadást úgy végezzük, hogy a kapott oldatsorozat a mérendő elemet folyamatosan növekvő töménységben tartalmazza, és ha egyáltalán lehetséges ezek a koncentrációk a kalibrációs görbe lineáris szakaszára essenek. A mérőlombikok tartalmát végül az oldószerrel jelig töltjük. A stabil leolvasás érdekében valamennyi oldatot azonos számú ismétléssel juttatjuk a készülékbe. Számolás. A legkisebb négyzetek módszerén alapuló illesztés alkalmazásával meghatározzuk a függvény lineáris egyenletét, majd az egyenlet alapján kiszámítjuk a meghatározandó elem koncentrációját a vizsgálati oldatban. A MÓDSZER VALIDÁLÁSA A cikkelyekben előírt módszerek alkalmasságát megfelelő időközönként igazolni kell. LINEARITÁS A kalibrációs tartományon belül legalább négy összehasonlító oldatot és egy üres oldatot készítünk és vizsgálunk, legalább öt-öt párhuzamos méréssel. A kalibrációs egyenest a mért adatok alapján a legkisebb négyzetek módszerén alapuló regresszióval határozzuk meg. A regressziós egyenest, az átlagokat, a mért adatokat és a kalibrációs egyenes konfidencia intervallumát ábrázoljuk. A vizsgálati módszer érvényes, ha: a korrelációs együttható értéke legalább 0,99,

5 Atomabszorpciós spektrometria Ph.Hg.VIII. - Ph.Eur az egyes kalibrációs szintek reziduumai véletlenszerű eloszlást mutatnak a kalibrációs egyenes mentén. Kiszámítjuk a legmagasabb és legalacsonyabb kalibrációs szintek átlagértékeit és a relatív szórásokat. Ha a legalacsonyabb és a legmagasabb kalibrációs szintek becsült szórásainak aránya kisebb, mint 0,5 vagy nagyobb, mint 2,0, úgy súlyozott lineáris regressziót alkalmazva pontosabban becsült kalibrációs egyenest kaphatunk. A legalkalmasabb súlyozófüggvény megtalálása céljából lineáris és négyzetes súlyozófüggvényeket egyaránt használunk. Ha a kalibrációs függvényhez viszonyított átlagértékek eltérnek az egyenestől, kétdimenziós lineáris regressziót használunk. TORZÍTÁSMENTESSÉG A torzításmentességet lehetőleg bizonylattal ellátott referenciaanyaggal (certified reference material CRM) igazoljuk. Amennyiben ez nem lehetséges, visszanyerési vizsgálatot (recovery) végzünk. Visszanyerési vizsgálat. Tartalmi meghatározásnál % közötti visszanyerést kell kapnunk. Más mérés, pl. nyomelem-meghatározás esetében a vizsgálat csak akkor érvényes, ha a visszanyerés az elméleti érték %-a között van. A visszanyerést alkalmas összehasonlító oldattal (mátrixoldat) határozhatjuk meg, amelyhez a meghatározandó komponens (a kalibrációs tartomány közepére eső) ismert mennyiségét mértük (spiking). ISMÉTELHETŐSÉG Az ismételhetőség relatív szórása tartalmi meghatározás esetén legfeljebb 3%, tisztaságvizsgálat esetén legfeljebb 5% lehet. A MENNYISÉGI MEGHATÁROZÁS ALSÓ HATÁRA Igazolni kell (pl. a 10σ módszerrel), hogy a mennyiségi meghatározás alsó határa a várható érték alatt van.